レーザ加工装置、及び、レーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法
【課題】 直径が非常に小さい円筒パイプ状の加工対象物ＯＢの表面をレーザ加工する場合であって、重い対物レンズを用いる場合であっても、レーザ光の焦点が加工対象物ＯＢの適正位置になるように制御する。
【解決手段】 Ｘ軸方向に延びた円筒パイプ状の加工対象物ＯＢに、加工用ヘッド１０からＺ軸方向に加工用レーザ光を照射する。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光をＺ軸方向に照射し、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からサーボ用Ｙ軸方向レーザ光をＹ軸方向に照射する。フォトディテクタ１３２及びフォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影の位置により加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ及びＺ軸方向のずれをそれぞれ検出する。検出したずれに応じて、ガルバノミラー１０８及び第１リレーレンズ１１２を駆動する。
【解決手段】 Ｘ軸方向に延びた円筒パイプ状の加工対象物ＯＢに、加工用ヘッド１０からＺ軸方向に加工用レーザ光を照射する。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光をＺ軸方向に照射し、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からサーボ用Ｙ軸方向レーザ光をＹ軸方向に照射する。フォトディテクタ１３２及びフォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影の位置により加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ及びＺ軸方向のずれをそれぞれ検出する。検出したずれに応じて、ガルバノミラー１０８及び第１リレーレンズ１１２を駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒パイプ状の加工対象物の表面をレーザ加工するレーザ加工装置、及び、レーザ加工装置におけるレーザ光の焦点位置を加工対象物の適正位置に合わせるフォーカスサーボ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドラム状の固定治具の外周面にシート状の加工対象物を固定し、固定治具をその中心軸周りに回転させながら軸方向に沿って移動させるとともに、加工ヘッドにより加工用レーザ光を対物レンズで集光して加工対象物の表面に照射することで、加工対象物表面に螺旋状にレーザ加工（ピット、溝、反応跡等の形成）を施すレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置は、例えば、特許文献１に提案されている。
【０００３】
ドラム式レーザ加工装置において、加工対象物に微細なレーザ加工を行う場合は、例えば、特許文献２に提案されているように、光ディスク装置におけるフォーカスサーボ制御と同様、加工対象物からの反射光を４分割された受光領域を有するフォトディテクタで受光し、非点収差法等により、各受光領域の受光信号からレーザ光の焦点位置と加工対象物の表面との光軸方向のずれに相当するフォーカスエラー信号を生成する。そして、このフォーカスエラー信号の値がゼロになるように、レーザ光を集光する対物レンズをレーザ光の光軸方向に移動させることで、レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３２２６８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４３６６３号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、上記フォーカスサーボ制御は、レーザ光を加工対象物の表面に垂直に照射できることを前提としているが、加工対象物が非常に細い円筒パイプ（例えば、直径が５０μｍの円筒パイプ）である場合には、レーザ光の光軸が円筒パイプの中心軸からずれている（交差しない）と、レーザ光を加工対象物の表面に対して斜めに照射してしまうため、適切なフォーカスエラー信号を生成することができない。こうした場合においては、加工対象物のレーザ光の光軸方向の変動に加えて光軸に垂直な方向の変動も考慮しなければならない。したがって、従来のフォーカスサーボ制御では、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することは不可能であった。
【０００６】
また、加工対象物をより微細に加工する場合、高硬度の加工対象物を加工する場合などにおいては、焦点位置に形成される光スポットを小さくでき、アブレーション加工（熱を利用しない加工）が可能な紫外線レーザを用いることがある。この場合、各種光学部品として、例えば石英ガラス、フッ化カルシウムなどで形成された透過率が高い部品を用いる。一般的には、石英ガラス製の部品を用いる。しかし、石英ガラスは、紫外領域で波長に対する屈折率の変化が大きいため、対物レンズとして石英ガラス製のレンズを用いると、この対物レンズにて発生する色収差（波長の変化に対する焦点位置の変化）が大きい。また、石英ガラスの屈折率は、ホウケイ酸塩クラウンガラス（ＢＫ７）の屈折率に比べると小さいので、開口数が同じであっても、レンズの曲率を大きくする必要があり、球面収差が発生し易い。このため、対物レンズを石英ガラス製の複数のレンズで構成して、収差の発生を抑制している。しかし、対物レンズを複数のレンズで構成すると、対物レンズが重くなり、対物レンズを駆動してフォーカスサーボを行う場合、加工対象物の位置の変動に十分に追従できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、直径が非常に小さい円筒パイプ状の加工対象物の表面をレーザ加工する場合であって、重い対物レンズを用いる場合であっても、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することを目的とする。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、後述する実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、円筒パイプ状の加工対象物（ＯＢ）を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段（５１）と、加工対象物を加工する加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源（１０２）及び加工用レーザ光を加工対象物の表面に集光する対物レンズ（１１８）を備え、加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向に加工用レーザ光を照射する加工用レーザ光照射手段（１０２，１０４，１０８，１１８）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向回りに回転させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向回りに回転させる回転手段（５２）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向に変位させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向に移動させる移動手段（５１，５３）とを備えたレーザ加工装置において、加工用レーザ光源と対物レンズの間に設けられ、加工用レーザ光の光軸の方向を変更する光軸方向変更部材（１０８）と、加工用レーザ光源と対物レンズの間に設けられ、加工用レーザ光の光軸方向に移動可能な加工レーザ用リレーレンズ（１１２）と、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向がＺ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段（２０２，２０４；３０２，３０４；１３４，１３６，１１６，１０８，１１８；４１０，４１２，４０４；２０２，２０４，２１２，２１４，２１６）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される加工対象物の射影又は加工対象物からの反射光を受光して、受光位置に応じた受光信号を出力するサーボ用レーザ光受光手段（１３２；４０２；１４２；４０４，４０６，４０２；４０４，４１４，４２０）と、受光信号に応じて、加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように光軸方向変更部材を駆動するとともに、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面位置と一致するように加工レーザ用リレーレンズを駆動するサーボ手段（１６１，１６２，１６３，１０８ａ，１７１，１７２，１７３，１１２ａ；１７１，１８２，１８３，１１２ａ；５６１，５６２，５６３，５７１，５７２，５７３；１９１，１９２，１８３，１１２ａ）を備えたことにある。
【０００９】
この場合、サーボ用レーザ光受光手段は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影又は加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出手段（１３２；１４２）と、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影又は加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出手段（４０２；４２０）を備え、サーボ手段は、Ｚ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段（１６１，１６２，１６３，１０８ａ）と、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するように加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段（１７１，１７２，１７３，１１２ａ；１７１，１８２，１８３，１１２ａ）を備えるとよい。
【００１０】
また、この場合、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として加工対象物へＺ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段（２０２，２０４）と、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段（３０２，３０４）とを備え、Ｚ軸方向レーザ光検出手段（１３２）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力するとよい。
【００１１】
また、この場合、Ｚ軸方向照射手段（２０２，２０４）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ、加工対象物に対して加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離してＺ軸方向レーザ光検出手段の受光面に導く分離用光学素子（１１６）を備えるとよい。
【００１２】
また、この場合、サーボ用レーザ光照射手段は、対物レンズにより加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として加工用レーザ光と同軸となる位置で加工対象物へＺ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段（１３４，１３６，１１６，１０８，１１８）と、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段（３０２，３０４）とを備え、Ｚ軸方向レーザ光検出手段（１４２）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力するとよい。
【００１３】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、Ｚ軸方向とＹ軸方向との２方向における加工対象物の射影又は加工対象物からの反射光の検出位置に基づいて光軸方向変更部材及び加工レーザ用リレーレンズを駆動する。したがって、加工対象物の位置がＺ軸方向及びＹ軸方向に変動しても、簡単に、加工用レーザ光を加工対象物の表面の適正位置に照射することができ、加工対象物を良好に加工することができる。また、対物レンズを駆動しないので、対物レンズを複数のレンズで構成することにより、対物レンズが重くなっても構わない。
【００１４】
本発明の他の特徴は、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）の受光面への入射光路に、Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）を設け、Ｚ軸方向サーボ手段（１７１，１８２，１８３，１１２ａ，４０８）は、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）をＺ軸方向に駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズ（１１２）をＺ軸方向に駆動することにある。
【００１５】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、Ｚ軸方向サーボ手段が、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の棒状の射影がＹ軸方向レーザ光受光手段の受光面の中央に位置するようにリレーレンズを駆動する。リレーレンズを光軸に対して垂直方向に移動させると、それに伴って、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面に映し出されるサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の射影が移動する。したがって、Ｚ軸方向サーボ手段は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の射影の位置をフィードバックして、射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにリレーレンズを駆動制御することができる。
【００１６】
また、Ｚ軸方向サーボ手段は、このリレーレンズの駆動と合わせて加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動することにより、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物の表面に一致させる。この結果、Ｚ軸方向サーボ手段の精度が向上するとともに、加工用レーザ光のＺ軸方向の焦点位置の調整範囲を広くすることができる。
【００１７】
本発明の他の特徴は、Ｙ軸方向照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射手段（３０２，３０４）と、加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射手段（４１０，４１２，４０４）とを備え、Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出器（４０２）と、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出器（４２０）とを備え、第１Ｙ軸方向レーザ光検出器（４０２）と第２Ｙ軸方向レーザ光検出器（４２０）との共通の入射光路に、Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）を設け、Ｚ軸方向サーボ手段は、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影が第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボ手段（１９１１，１９２１，１８３，１１２ａ，４０８）と、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光が第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボ手段（１９１２，１９２２，１８３，１１２ａ，４０８）と、第１Ｚ軸方向サーボ手段の作動の後に、第２Ｚ軸方向サーボ手段が作動するように作動切替を行う作動切替手段（９０）とを備えたことにある。
【００１８】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、レーザ光の焦点位置と加工対象物の表面とのずれを検出する場合、加工対象物の射影位置を用いれば検出範囲が広くなり、加工対象物の反射光位置を用いれば検出精度が高くなる。したがって、先に、加工対象物の射影位置に基づいてＺ軸方向のフォーカスサーボ制御を開始し（サーボ制御の引き込みを行い）、その後、加工対象物の反射光位置に基づいてＺ軸方向のフォーカスサーボ制御を行うことで、Ｚ軸方向のフォーカスサーボ制御の引き込みを確実に行え、Ｚ軸方向のフォーカスサーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１９】
本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するサーボ用レーザ出射手段（２０２，２０４）と、サーボ用レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離する分離光学素子（２１２）とを備え、サーボ用レーザ光検出手段は、受光領域が十字状に分割された受光面を有し、各受光領域ごとに受光した光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器（２３０）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物に照射して形成されるそれぞれの射影が十字状にクロスするように合成してレーザ光検出器の受光面に導く合成光学素子（２２８；２３２）とを備え、サーボ手段は、レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段（５６１，５６２，５６３，１０８ａ）と、レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するように加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段（５７１，５７２，５７３，１１２ａ）を備えたことにある。
【００２０】
上記のように構成したレーザ加工装置によれば、フォーカスサーボ用のレーザ光源、レーザ光検出器、その他の光学素子を減らすことができるため、低コスト化を図ることができる。尚、本発明において、上下、左右とは、絶対的な方向を意味するものではなく、受光面における一方の方向を上下と定義したときに、それに対して垂直な方向を左右と定義するものである。
【００２１】
本発明の他の特徴は、加工用レーザ光照射手段により加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する焦点位置不適正判定手段（Ｓ１１６）を備えたことにある。
【００２２】
本発明においては、焦点位置不適正判定手段が、加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する。したがって、レーザ加工を開始する前に、Ｙ軸方向サーボ手段とＺ軸方向サーボ手段とを作動させた状態で、焦点位置不適正判定手段によりフォーカスサーボ制御が適正に行われているか否かを確認することができる。このため、レーザ加工の失敗を防止することが可能となる。
【００２３】
更に、本発明の実施にあたっては、レーザ加工装置の発明に限定されることなく、レーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法の発明としても実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドの概略構成図である。
【図３】第１実施形態に係るレーザ加工装置のサーボ用Ｙ軸方向光ヘッドとＹ軸方向受光装置の概略構成図である。
【図４】Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を表す説明図である。
【図５】フォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図６】加工対象物の変位とエラー信号波形値との関係を表す特性図である。
【図７】フォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図８】レーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図９】第２実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【図１０】加工対象物の変位とフォトディテクタに照射された反射光の位置変化との関係を表す説明図である。
【図１１】第３実施形態に係るレーザ加工装置のＹ軸方向受光装置とＺ軸方向サーボ系回路の概略構成図である。
【図１２】第４実施形態に係るレーザ加工装置のＹ軸方向受光装置とＺ軸方向サーボ系回路の概略構成図である。
【図１３】第４実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャート（変更部分）である。
【図１４】第５実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ系回路の概略構成図である。
【図１５】フォトディテクタに照射された十字状の射影の状態を表す説明図である。
【図１６】第５実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。このレーザ加工装置は、細い円筒パイプ状の加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射してレーザ加工を行うものである。レーザ加工装置は、加工対象物ＯＢを保持して加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させるとともに加工対象物ＯＢをその中心軸方向に移動させるワーク駆動装置５０と、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する加工用ヘッド１０と(図２参照）、加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と(図２参照）、同じく加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と（図３参照）、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から照射されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するＹ軸方向受光装置４０と（図３参照）、各種の電気回路（後述する）と、レーザ加工装置全体の作動を制御するコントローラ９０とを備えている。
【００２６】
ここで、レーザ加工装置における方向を定義する。図４に示すように、ワーク駆動装置５０に固定された加工対象物ＯＢの中心軸線方向をＸ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向に対して垂直方向であって加工用ヘッド１０から加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の光軸の方向をＺ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方に対して垂直となる方向をＹ軸方向と呼ぶ。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光源１０が出射する加工用レーザ光の光軸がＺ軸方向となるように固定されている。なお、加工用ヘッド１０を構成する各種部品のうちのいくつかの部品は図１の紙面の表面側に位置するものであるが、図１においては、各種部品が重ならないように、それらの部品をＸ軸方向から見た状態を記載している。この点については、図２において詳しく説明する。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、加工対象物ＯＢに照射するサーボ用レーザ光の光軸がＹ軸方向となるように固定されている。したがって、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０は、図１の紙面の前後に位置するものであるが、図１においては、両者が重ならないように左右に配置して記載している。
【００２７】
本実施形態における加工対象物ＯＢは、表面にフォトレジストが被覆された直径５０μｍのニッケルパイプである。この加工対象物ＯＢは、最終的に直径５０μｍのマイクロスプリングの製作に使用されるパイプに加工されるもので、本実施形態のレーザ加工装置は、フォトレジストの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射することにより、フォトレジストに螺旋状の反応跡を形成する装置として使用される。加工対象物ＯＢは、その後、現像液に浸漬されて反応跡が除去され、残ったフォトレジストをマスクとして使ってエッチングされる。これにより、ニッケルパイプに螺旋状の開口が形成されてマイクロスプリング製作用のパイプが作られる。
【００２８】
このように非常に細い径のパイプ状の加工対象物ＯＢに対してレーザ加工を行う場合には、従来から知られているように加工用レーザ光の反射光から非点収差法などによりフォーカスエラー信号を生成しても、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸から外れてしまうと、適正なフォーカスエラー信号が得られない。そこで、本実施形態においては、加工対象物ＯＢにサーボ用レーザ光をＺ軸方向とＹ軸方向とに照射し、加工対象物ＯＢが映し出される射影の位置に基づいて加工用レーザ光の焦点位置を制御する。
【００２９】
まず、ワーク駆動装置５０から説明する。ワーク駆動装置５０は、加工対象物ＯＢの両端をチャッキングして回転可能に保持する移動ステージ５１と、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させるスピンドルモータ５２と、移動ステージ５１をＸ軸方向に移動させるねじ送り機構５３とを備えている。
【００３０】
ねじ送り機構５３は、移動ステージ５１に固定されたナット(図示略）に螺合するスクリューロッド５４と、スクリューロッド５４を回転させるフィードモータ５５とを備えている。スクリューロッド５４は、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢの中心軸（すなわち、スピンドルモータ５２の回転軸）と平行となるＸ軸方向に延びて設けられ、その一端側が、レーザ加工装置本体フレーム（図示略）に固定されたフィードモータ５５の出力軸に連結され、他端側が、レーザ加工装置本体フレームに固定された軸受部（図示略）に回転可能に軸支される。また、移動ステージ５１は、図示しない案内ガイドにより、回転規制されており、Ｘ軸方向にのみ移動可能となっている。したがって、フィードモータ５５を正転又は逆転駆動すると、フィードモータ５５の回転運動が移動ステージ５１の直線運動に変換され、加工対象物ＯＢがＸ軸方向に前進又は後退できるようになっている。
【００３１】
スピンドルモータ５２内には、エンコーダ５２ａが組み込まれている。エンコーダ５２ａは、スピンドルモータ５２が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号は、スピンドルモータ制御回路５６に入力される。スピンドルモータ制御回路５６は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００３２】
フィードモータ５５内にも、エンコーダ５５ａが組み込まれている。このエンコーダ５５ａは、フィードモータ５５が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号は、フィードモータ制御回路５７と移動位置検出回路５８に入力される。移動位置検出回路５８は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、作動開始後、エンコーダ５５ａから出力されるパルス信号が入力されなくなると移動限界位置を意味する信号をフィードモータ制御回路５７に出力し、カウント値を「０」として、以後、エンコーダ５５ａが出力するパルス信号のパルス数をカウントする。そして積算したカウント数から移動ステージ５１の移動位置を計算してコントローラ９０及びフィードモータ制御回路５７に出力する。このカウント値が「０」となる移動限界位置が、移動ステージ５１の移動位置を制御する原点位置となる。
【００３３】
フィードモータ制御回路５７は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、コントローラ９０から移動位置の設定値を入力すると、移動位置検出回路５８から所定時間間隔で出力される移動位置を入力し、入力した移動位置がコントローラ９０から入力した設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。なお、作動開始直後において移動位置の設定値が入力されると、フィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動限界位置方向に移動させ、移動位置検出回路５８から移動限界位置を表す信号を入力するとフィードモータ５５への駆動信号の出力を停止する。その後、移動位置検出回路５８から出力される移動位置がコントローラ９０から入力した移動位置の設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。
【００３４】
また、フィードモータ制御回路５７には、移動ステージ５１の移動速度の設定値（設定速度）がコントローラ９０により入力される。そして、コントローラ９０から移動開始の指示を入力すると、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００３５】
次に、加工用ヘッド１０について図２を用いて説明する。加工用ヘッド１０は、加工対象物ＯＢの円筒表面に加工用レーザ光を照射する機能と、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光して加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれに応じた信号を出力する機能を有する。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光を出射するレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、１／４波長板１１０、第１リレーレンズ１１２、第２リレーレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１６及び対物レンズ１１８を備えている。なお、レーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６は、図２の紙面の表面側に位置する。すなわち、Ｙ軸方向から見ると、これらの部品がガルバノミラー１０８に重なるような配置になっている。そこで、図２においては、部品が重ならないように、レーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６及びガルバノミラー１０８については、Ｘ軸方向から見た状態を記載している。後述する集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４、集光レンズ１２６及びフォトディテクタ１２８も同様にＸ軸方向から見た状態を記載している。
【００３６】
レーザ光源１０２は、加工用レーザ駆動回路１５０から供給される電流及び電圧により駆動されて加工用レーザ光をＹ軸方向に出射する。レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光は、コリメートレンズ１０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。加工用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１０６をそのまま透過し、ガルバノミラー１０８に入射する。ガルバノミラー１０８は、Ｘ軸に平行な回転軸を有し、前記回転軸は、モータ１０８ａの駆動軸に組み付けられている。すなわち、ガルバノミラー１０８は、モータ１０８ａによって正転・逆転駆動され、入射した加工用レーザ光を反射して光軸方向を変更する。ガルバノミラー１０８にて反射した加工用レーザ光は、１／４波長板１１０を透過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１１０を透過した加工用レーザ光は、第１リレーレンズ１１２及び第２リレーレンズ１１４及びダイクロイックミラー１１６を透過して対物レンズ１１８に入射する。対物レンズ１１８は、レーザ光の透過率が高い材料（例えば、石英ガラス、フッ化カルシウム結晶など）で形成された複数のレンズからなる。こうして、加工用レーザ光は、対物レンズ１１８により加工対象物ＯＢの表面で集光する。
【００３７】
第１リレーレンズ１１２には、フォーカスアクチュエータ１１２ａが設けられている。フォーカスアクチュエータ１１２ａは、第１リレーレンズ１１２を加工用レーザ光の光軸方向、つまり、Ｚ軸方向に移動させる。したがって、フォーカスアクチュエータ１１２ａを作動させることにより加工用レーザ光の焦点位置をＺ軸方向（光軸方向）に移動できる。また、ガルバノミラー１０８を回転駆動することにより加工用レーザ光の焦点位置をＹ軸方向に移動できる。尚、第１リレーレンズ１１２は、フォーカスアクチュエータ１１２ａが通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心に位置する。以下、この位置を第１リレーレンズ１１２の原点位置と呼ぶ。また、ガルバノミラー１０８は、モータ１０８ａに通電されていないときに、回転可動範囲の中心に位置する。以下、この位置をガルバノミラー１０８の原点位置と呼ぶ。
【００３８】
対物レンズ１１８で集光された加工用レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面に照射され反射する。加工対象物ＯＢで反射した反射光は、対物レンズ１１８、ダイクロイックミラー１１６、第２リレーレンズ１１４、第１リレーレンズ１１２及び１／４波長板１１０を透過して、ガルバノミラー１０８に入射する。そして、反射光は、ガルバノミラー１０８にて反射し、偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。この場合、反射光は、１／４波長板１０８を２回通過したことになるため、レーザ光源１０２から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。したがって、１／４波長板１１０を通過した反射光は、偏光ビームスプリッタ１０６で反射する。偏光ビームスプリッタ１０６の反射方向には、集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４が設けられている。このため、偏光ビームスプリッタ１０６で反射した反射光は、集光レンズ１２２によりフォトディテクタ１２４に集光する。
【００３９】
フォトディテクタ１２４は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２４は、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度に対応した受光信号を出力する。フォトディテクタ１２４の出力する受光信号は、増幅回路１５２により増幅され、Ａ／Ｄ変換器１５３に供給される。Ａ／Ｄ変換器１５３は、コントローラ９０からの指令により作動し、増幅回路１５２から供給された受光信号をデジタル信号に変換してコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、この受光信号が表す反射光強度から、後述するＺ軸方向とＹ軸方向のサーボ制御が適切に行われているかを判断する。
【００４０】
また、加工用ヘッド１０は、レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１０６で反射させ、その反射光を集光レンズ１２６によりフォトディテクタ１２８の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１２８は、フォトディテクタ１２４と同様に、その受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２８は、レーザ光源１０２が出射した加工用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、加工用レーザ駆動回路１５０に供給される。
【００４１】
加工用レーザ駆動回路１５０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源に対して加工用強度、つまり、加工対象物ＯＢの表面を適切に加工できる強度（この例では、フォトレジストに反応跡を形成できる強度）のレーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、加工用レーザ駆動回路１５０は、フォトディテクタ１２６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源１０２に出力する電流及び電圧を調整する。これにより、加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の強度が設定加工用強度に維持される。
【００４２】
また、加工用レーザ駆動回路１５０は、発光信号供給回路１５１によりレーザ光源１０２への駆動信号の出力形態が制御される。発光信号供給回路１５１は、コントローラ９０から加工模様を表すデータを入力して、レーザ加工中に、そのデータに対応したパルス列信号又は連続信号を加工用レーザ駆動回路１５０に供給する。本実施形態では、加工対象物ＯＢの表面のフォトレジストに連続した螺旋状の反応跡を形成するものであるため、発光信号供給回路１５１からは連続信号が出力されるが、例えば、複数の微細ピットを列状に形成する場合には、ピットの長さ、ピットの形成間隔に応じた時間幅のハイレベル信号とローレベル信号からなるパルス列信号が出力される。
【００４３】
加工用ヘッド１０には、更に、ダイクロイックミラー１１６の反射方向にリレーレンズ（結像レンズ）１３０とフォトディテクタ１３２が設けられている。このリレーレンズ１３０及びフォトディテクタ１３２は、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を検出するために設けられたものである。したがって、先に、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０について説明する。
【００４４】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、図２に示すように、加工対象物ＯＢを挟んで加工用ヘッド１０と向き合うように、加工用ヘッド１０と対になってレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ２０４，偏光ビームスプリッタ２０６と、偏光ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８，フォトディテクタ２１０を備えている。
【００４５】
レーザ光源２０２は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ２０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ２０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ２０６をそのまま透過してサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射する。このサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したレーザ光が、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００４６】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の出射方向がＺ軸方向となり、しかも、その光軸が、加工用ヘッド１０のガルバノミラー１０８が原点位置にある時に加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。この場合、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と加工用ヘッド１０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び加工用レーザ光の光軸がワーク駆動装置５０の回転軸（スピンドルモータ５２の回転軸）と直交するように、ワーク駆動装置５０に対する相対位置関係が定められている。
【００４７】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が加工用ヘッド１０の対物レンズ１１８に入射する。この場合、対物レンズ１１８に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の影が形成されたものとなる。この加工対象物ＯＢによってできた影を射影と呼び、射影とその周囲の光とを合わせて射影光と呼ぶ。
【００４８】
対物レンズ１１８に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、集光されてダイクロイックミラー１１６に入射する。ダイクロイックミラー１１６は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光に対しては反射し、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光に対しては透過するように、各レーザ光の波長が設定されている。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１６で反射する。ダイクロイックミラー１１６の反射方向には、リレーレンズ１３０（結像レンズ）、フォトディテクタ１３２が設けられており、ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光がリレーレンズ１３０により平行光になりフォトディテクタ１３２の受光面に入射する。フォトディテクタ１３２の受光面には、加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００４９】
フォトディテクタ１３２は、図５に示すように、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。このフォトディテクタ１３２は、受光したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ａ，Ｂの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００５０】
フォトディテクタ１３２から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものである。
【００５１】
図６は、加工対象物ＯＢの位置をＹ軸方向に変化させたときのＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の波高値を表したものである。図示するように、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は、Ｓ字状波形となる。したがって、Ｓ字状波形の山（ｃ位置）から谷（ａ位置）までの範囲ｒ（Ｓ字検出範囲ｒと呼ぶ）においては、加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量とＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００５２】
例えば、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向にずれていない場合、（ｂ）に示すように、フォトディテクタ１３２に映し出される射影Ｓは、受光面の中央に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）はゼロとなる。一方、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における一方側（左側と呼ぶ）にずれている場合には、（ａ）に示すように、フォトディテクタ１３２に映し出される射影Ｓが受光面の左側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は負の値をとる。また、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における他方側（右側と呼ぶ）にずれている場合には、（ｃ）に示すように、フォトディテクタ１３２に映し出される射影Ｓが受光面の右側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は正の値をとる。
【００５３】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向のずれ量に応じたＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａを駆動する信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。これにより、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように制御される。尚、フォトディテクタ１３２に映し出される射影の位置は、ガルバノミラー１０８の回転によっては変化しない。
【００５４】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ２０６で反射させ、その反射光を集光レンズ２０８によりフォトディテクタ２１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ２１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ２１０は、レーザ光源２０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。
【００５５】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源２０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、加工用ヘッド１０のフォトディテクタ１１８で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ２１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流及び電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００５６】
次に、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０とについて説明する。図３に示すように、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０とは、互いに加工対象物ＯＢをＹ軸方向に挟んで向かい合うようにレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源３０２と、レーザ光源３０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ３０４，偏光ビームスプリッタ３０６と、偏光ビームスプリッタ３０６の反射方向に設けられる集光レンズ３０８及びフォトディテクタ３１０を備えている。
【００５７】
レーザ光源３０２は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源３０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ３０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ３０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま透過してサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射する。このサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したレーザ光がサーボ用Ｙ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００５８】
サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の出射方向がＹ軸方向となり、しかも、その光軸が、ワーク駆動装置５０の回転軸と交差するように位置決めされている。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と向かい合うＹ軸方向受光装置４０には、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するフォトディテクタ４０２が設けられる。フォトディテクタ４０２は、その受光面の中心にサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光軸が通るように位置決めされている。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、フォトディテクタ４０２の受光面には加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００５９】
フォトディテクタ４０２は、図７に示すように、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。このフォトディテクタ４０２は、受光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ｃ，Ｄの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００６０】
フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）としてＺ軸方向サーボ回路１７２に出力する。Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）の大きさは、加工対象物ＯＢの位置をＺ軸方向に変化させると、上述したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の特性と同様にＳ字状に変化する（図６参照）。したがって、Ｓ字検出範囲ｒにおいては、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量（加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＺ軸方向におけるずれ量）とＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００６１】
Ｚ軸方向サーボ回路１７２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１から入力したＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点を移動させるため第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけＺ軸方向にずれた位置に対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点が位置するように、第１リレーレンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に維持される。尚、フォトディテクタ４０２に映し出される射影の位置は、第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動によっては変化しない。
【００６２】
加工用ヘッド１０は、第１リレーレンズ１１２が原点位置にあり、かつ、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように位置決めされている。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、その変動量だけ第１リレーレンズ１１２を原点位置からＺ軸方向に移動させることにより、常に、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面と一致させることができる。つまり、加工用レーザ光の焦点位置を、ワーク駆動装置５０の回転軸よりも加工対象物ＯＢの半径分だけ対物レンズ１１８側に維持させることができる。
【００６３】
サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、レーザ光源３０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ３０６で反射させ、その反射光を集光レンズ３０８によりフォトディテクタ３１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ３１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ３１０は、レーザ光源３０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０に供給される。
【００６４】
サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源３０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、Ｙ軸方向受光装置４０のフォトディテクタ４０２で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０は、フォトディテクタ３１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源３０２に出力する電流及び電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００６５】
コントローラ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータと、ハードディスクや不揮発性メモリなどの記憶装置と、入出力インタフェース等から構成される電子制御装置である。コントローラ９０には、作業者が各種パラメータや処理等を指示するための入力装置９１と、作業者に対して作動状況等を視覚的に知らせるための表示装置９２とが接続されている。
【００６６】
次に、レーザ加工を行う際の制御について説明する。図８は、コントローラ９０が実行するレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。レーザ加工制御ルーチンは、コントローラ９０のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。作業者は、加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０にセットした後、入力装置９１を使ってレーザ加工の開始指示操作を行う。これにより、本制御ルーチンが起動する。
【００６７】
本制御ルーチンがステップＳ１００にて起動すると、コントローラ９０は、ステップＳ１０２において、各種回路の作動を開始させる。続いて、ステップＳ１０４において、フィードモータ制御回路５７に対して加工開始位置への移動指令を出力する。この指令により、フィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工開始位置にまで移動させる。続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２が起動して加工対象物ＯＢの回転が始まる。このとき、スピンドルモータ制御回路５６は、エンコーダ５２ａにより検出されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００６８】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１０８において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射され、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からサーボ用Ｙ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。この処理は、本発明のＺ軸方向照射ステップとＹ軸方向照射ステップとを含んだサーボ用レーザ光照射ステップに相当する。また、このサーボ用レーザ光の照射により、フォトディテクタ１３２が受光信号（ａ，ｂ）を出力する処理が、本発明のＺ軸方向レーザ光検出ステップに相当し、フォトディテクタ４０２が受光信号（ｃ，ｄ）を出力する処理が、本発明のＹ軸方向レーザ光検出ステップに相当する。
【００６９】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１１０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２とＺ軸方向サーボ回路１７２とに対して、サーボ制御の開始指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１からＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を入力し、このＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａを回転駆動する信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。これにより、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。この処理は、本発明のＹ軸方向サーボステップに相当する。
【００７０】
同様に、Ｚ軸方向サーボ回路１７２は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１からＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）を入力し、このＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点を移動させるための第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点が移動するよう、第１リレーレンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に制御され、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面と常に一致するようになる。この処理は、本発明のＺ軸方向サーボステップに相当する。
【００７１】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１１２において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、加工用レーザ光の照射開始指令を出力する。この場合、コントローラ９０は、加工用レーザ光の強度を、加工対象物ＯＢが変化しない低レベルに設定した照射開始指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電流及び電圧の強度を低いレベルに設定してレーザ光源１０２を駆動する。したがって、加工用ヘッド１０からは、非加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。加工対象物ＯＢは、この非加工強度のレーザ光に対してはレーザ加工されない。
【００７２】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１１４において、加工用ヘッド１０に設けられたフォトディテクタ１２２の出力する受光信号を増幅回路１５２及びＡ／Ｄ変換器１５３を介して取り込んで加工用レーザ光の反射光強度Ｒを検出する。次に、ステップＳ１１６において、反射光強度Ｒが下限値Ｒrefを上回っているか否かを判断する。反射光強度Ｒが下限値Ｒrefを上回っていれば、上述したＺ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判断して、その処理をステップＳ１１８に進める。一方、反射光強度Ｒが下限値Ｒref以下であれば、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていないと判断して、ステップＳ１３８において、表示装置９２にその旨を表示し、その処理をステップＳ１３０に進める。このステップＳ１１６，Ｓ１３８の処理が、本発明の焦点位置不適正判定ステップに相当する。
【００７３】
コントローラ９０は、ステップＳ１１６において「Ｙｅｓ」、つまり、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判断した場合には、ステップＳ１１８において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、レーザ光源１０２から出射されているレーザ光の強度を非加工強度から加工強度に変更する指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電流及び電圧の強度を加工用レベルに切り換えてレーザ光源１０２を駆動する。したがって、加工用ヘッド１０からは、加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。
【００７４】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１２０において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１のＸ軸方向への移動開始指令を出力する。フィードモータ制御回路５７は、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００７５】
これにより、加工対象物ＯＢは、その中心軸回りに回転するとともにＸ軸方向に移動し、その表面に加工用レーザ光が照射される。したがって、加工対象物ＯＢには、螺旋状に加工用レーザ光が照射され、その照射軌跡に沿ってフォトレジストに反応跡が形成される。また、同時に、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつ、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように、第１リレーレンズ１１２の位置とガルバノミラー１０８の角度が制御される。したがって、加工対象物ＯＢの表面には、適正に集光された加工用レーザ光が垂直に照射され、適正幅の螺旋状の反応跡がフォトレジストに形成される。
【００７６】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１２２において、移動位置検出回路５８により検出される移動ステージ５１の移動位置を取り込み、ステップＳ１２４において、現時点の移動位置が加工終了位置に到達したか否かを判断する。ステップＳ１２２，Ｓ１２４の処理は、移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に到達するまで繰り返される。したがって、この間は、上述したように、加工対象物ＯＢのレーザ加工、及び、サーボ制御が継続される。
【００７７】
移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に達すると（Ｓ１２４：Ｙｅｓ）、コントローラ９０は、ステップＳ１２６において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して加工用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、加工用レーザ光の照射が停止される。次に、ステップＳ１２８において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１の移動停止指令を出力する。これによりフィードモータ５５への通電が停止され移動ステージ５１が停止する。続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１３０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２とＺ軸方向サーボ回路１７２とに対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、モータ１０８ａ及びフォーカスアクチュエータ１１２ａの作動が停止する。次に、ステップＳ１３２において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射、及びサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からのサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の照射が停止する。
【００７８】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１３４において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転停止指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２への通電が停止され、加工対象物ＯＢの回転が停止する。次に、ステップＳ１３６において、フィードモータ制御回路５７に対して加工対象物ＯＢの取り外し位置への移動指令を出力する。これによりフィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工対象物ＯＢの取り外し位置にまで移動させる。作業者は、この位置で加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０から取り外す。こうして、移動ステージ５１が所定の取り外し位置にまで移動すると、ステップＳ１４０により本レーザ加工制御ルーチンが終了する。
【００７９】
以上説明した第１実施形態のレーザ加工装置によれば、加工対象物ＯＢに対して、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物ＯＢに照射し、その射影の位置に基づいて、加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつ、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように、ガルバノミラー１０８の回転角度が制御され、第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向の位置が制御される。したがって、本実施形態のように５０μｍという非常に細いパイプ状の加工対象物ＯＢの表面をレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物ＯＢの表面に垂直に照射することができる。これにより、加工対象物ＯＢの表面を螺旋状に加工することができる。例えば、適正幅の螺旋状の反応跡をフォトレジストに形成することができる。また、対物レンズ１１８を駆動しないので、対物レンズ１１８が重くてもよい。したがって、対物レンズ１１８を光の透過率の高い材質で形成した複数のレンズで構成することができ、対物レンズ１１８における収差の発生を抑制することができる。よって、上記のように構成した対物レンズ１１８により紫外線レーザを集光し、加工対象物ＯＢに照射して、加工対象物ＯＢをアブレーション加工することができる。
【００８０】
また、加工用レーザ光の反射光強度Ｒと下限値Ｒrefとの比較に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御の異常発生の有無を判定し、異常が検出されたときには、加工用レーザ光の焦点位置が適正となっていないためレーザ加工を中止する。これにより、レーザ加工の失敗を防止することができる。
【００８１】
また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を出射するにあたり、フォトディテクタ２１０，３１０で検出した光の強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２，３０２の出力を制御するため、Ｚ軸方向及びＹ軸方向のサーボ制御を精度良く行うことができる。
【００８２】
次に、第２実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。図９は、第２実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１２の概略構成を表す。第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のレーザ加工装置の加工用ヘッド１０とサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０に代えて、加工用ヘッド１２を設けたもので、他の構成については第１実施形態と同一である。この加工用ヘッド１２は、加工用レーザ光を照射／受光する構成に加えて、サーボ用Ｚ軸レーザ光を照射／受光する構成を備えている。以下、第１実施形態と同様な構成については、図面に第１実施形態と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【００８３】
加工用ヘッド１２は、第１実施形態の加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成としてレーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、１／４波長板１１０、第１リレーレンズ１１２、第２リレーレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１６及び対物レンズ１１８を備える。ただし、第１実施形態と異なり、ダイクロイックミラー１１６は、偏光ビームスプリッタ１０６とガルバノミラー１０８の間に設けられている。また、加工用ヘッド１２は、加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光の反射光強度を検出する構成として集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４を備え、レーザ光源１０２から出射する加工用レーザ光の強度を検出する構成として集光レンズ１２６，フォトディテクタ１２８を備える。また、加工用ヘッド１２は、加工用ヘッド１０と同様に、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に駆動する構成としてアクチュエータ１１２ａを備え、ガルバノミラー１０８を正転・逆転駆動する構成としてモータ１０８ａを備える。なお、図９においても、図２と同様に、部品が重ならないように、レーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４、集光レンズ１２６及びフォトディテクタ１２８については、Ｘ軸方向から見た状態を記載している。後述するダイクロイックミラー１１６も同様にＸ軸方向から見た状態を記載している。つぎに説明する、レーザ光源１３４、コリメートレンズ１３６、偏光ビームスプリッタ１３８、１／４波長板１４０、フォトディテクタ１４２、集光レンズ１４４及びフォトディテクタ１４６についても、Ｘ軸方向から見た状態を記載している。
【００８４】
さらに、加工用ヘッド１２は、サーボ用レーザ光を照射するレーザ光源１３４と、レーザ光源１３４から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１３６、偏光ビームスプリッタ１３８及び１／４波長板１４０を備えている。レーザ光源１３４は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源１３４から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ１３６により平行光となって偏光ビームスプリッタ１３８に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１３８をそのまま透過し、１／４波長板１４０を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１４０を通過したサーボ用レーザ光は、加工用レーザ光の光路途中に設けられたダイクロイックミラー１１６に入射し、そこで反射する。したがって、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光とが合成されて対物レンズ１１８に入射する。この場合、ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用レーザ光の光軸と、ダイクロイックミラー１１６を透過した加工用レーザ光の光軸とが一致するように、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光の光路が設定されている。
【００８５】
サーボ用レーザ光は、加工用レーザ光と同様に、対物レンズ１１８により加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径に集光されて加工対象物ＯＢの表面にスポット状に照射される。この加工対象物ＯＢの照射されるサーボ用レーザ光がサーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面で反射して対物レンズ１１８に入射し平行光に戻される。この場合、加工用レーザ光は、そのままダイクロイックミラー１１６を透過するが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１６で反射する。したがって、ダイクロイックミラー１１６で加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが分離される。
【００８６】
ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１４０を通過する。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１４０を２回通過したことになるため、加工対象物ＯＢにて反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光は、レーザ光源１３０から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１３８で反射する。
【００８７】
偏光ビームスプリッタ１３８の反射方向には、フォトディテクタ１４２が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、フォトディテクタ１４２に入射する。このフォトディテクタ１４２は、第１実施形態のフォトディテクタ１３２と同様に、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された２つの受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。また、フォトディテクタ１４２は、第１リレーレンズ１１２が原点位置にあり、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに、図１０（ｂ）に示すように、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００８８】
フォトディテクタ１４２から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、第１実施形態と同様にＹ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向に変動すると、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、その変動位置に応じて加工対象物ＯＢに照射されるサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の位置が変化し、これに伴って、フォトディテクタ１４２に受光される反射光ＲＬの位置が変化する。このため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【００８９】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６３から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成し、Ｙ軸方向ドライブ回路１６３が、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａに駆動信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。この実施形態においては、Ｙ軸方向サーボ制御は、クローズドループ制御である。したがって、フォトディテクタ１４２に受光されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光が、受光面の中央に維持されるようにガルバノミラー１０８の回転角度が制御されることとなる。このため、加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００９０】
加工用ヘッド１２は、更に、レーザ光源１３４から出射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１３８で反射させ、その反射光を集光レンズ１４４によりフォトディテクタ１４６の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１４６は、第１実施形態のフォトディテクタ２１０と同様に、レーザ光源１３４が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ１４６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した強度となるようにレーザ光源１３４の出力を調整する。これにより、加工用ヘッド１２から加工対象物ＯＢに向けて出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００９１】
また、第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。
【００９２】
以上説明した第２実施形態のレーザ加工装置においては、加工用ヘッド１２によりサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を集光して加工対象物ＯＢに照射し、その反射光の位置に基づいて加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するようにガルバノミラー１０８の回転角度を制御するとともに、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０により加工対象物ＯＢの直径より大きな直径のサーボ用レーザ光（平行光）を加工対象物ＯＢに照射して、その射影光をＹ軸方向受光装置４０にて受光し、射影の位置に基づいて加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面位置と一致するように第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向の位置を制御する。したがって、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、クローズドループ制御を行うためＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００９３】
次に、第３実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。この第３実施形態のレーザ加工装置は、Ｚ軸方向のサーボ制御をクローズドループ制御で実施できるようにしたもので、第１実施形態のレーザ加工装置とは、Ｙ軸方向受光装置、Ｚ軸方向のサーボ系回路が相違し、他の構成については第１実施形態と同一である。
【００９４】
図１１に示すように、第３実施形態のレーザ加工装置におけるＹ軸方向受光装置４３は、第１実施形態におけるＹ軸方向受光装置４０のフォトディテクタ４０２の入射部に第３リレーレンズ４０４、第４リレーレンズ４０６を設け、更に、第３リレーレンズ４０４をＺ軸方向に駆動するリレーレンズアクチュエータ４０８を設けたものである。第３リレーレンズ４０４は、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光（加工対象物ＯＢの射影光）を集光し、第４リレーレンズ４０６は、第３リレーレンズ４０４で集光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を平行光に戻す。フォトディテクタ４０２は、第４リレーレンズ４０６を通過したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光する。第３リレーレンズ４０４は、その位置がリレーレンズアクチュエータ４０８によりＺ軸方向に移動可能となっている。第３リレーレンズ４０４は、リレーレンズアクチュエータ４０８が通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心に位置する（この位置を原点位置と呼ぶ）。フォトディテクタ４０２は、第３リレーレンズ４０４が原点位置にあるとき、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光軸が受光面の中心を通るように位置決めされている。
【００９５】
フォトディテクタ４０２の受光面には、加工対象物ＯＢの棒状の射影が映し出されるが、リレーレンズアクチュエータ４０８により第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動された場合には、その移動に伴って射影の位置もＺ軸方向に移動する。
【００９６】
フォトディテクタ４０２は、上述したように、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。また、フォトディテクタ４０２は、受光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光における棒状の射影が受光領域の分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、第３リレーレンズ４０４が原点位置にありＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００９７】
第３実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のＺ軸方向サーボ回路１７２，Ｚ軸方向ドライブ回路１７３に代えて、Ｚ軸方向サーボ回路１８２，Ｚ軸方向ドライブ回路１８３を備えている。尚、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１については、第１実施形態と同一である。フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）としてＺ軸方向サーボ回路１８２に出力する。Ｚ軸方向サーボ回路１８２は、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）を入力し、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１８３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてリレーレンズアクチュエータ４０８を駆動する信号を出力して第３リレーレンズ４０４をＺ軸方向に移動させるとともに、加工用ヘッド１０のフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。この場合、第３リレーレンズ４０４の移動量と第１リレーレンズ１１２の移動による対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点の移動量とが同一となるように、それぞれの駆動信号は設定されている。
【００９８】
第１実施形態においては、第１リレーレンズ１１２のみをＺ軸方向に移動させる構成であったため、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影は移動しないが、第３実施形態においては、第３リレーレンズ４０４もＺ軸方向サーボ信号によりＺ軸方向に移動するため、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影がＺ軸方向に移動する。したがって、この第３実施形態におけるＺ軸方向サーボ制御では、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影が、常に、受光面の中央、つまり、受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置となるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これに合わせて第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動されることになる。したがって、Ｚ軸方向サーボ制御においてクローズドループ制御を行うため、Ｚ軸方向サーボ制御が高精度となる。また、加工対象物ＯＢがＺ軸方向に大きく変動しても、それに合わせてリレーレンズアクチュエータ４０８が、フォトディテクタ４０２に映し出される射影の位置が受光面の中央側にくるように第３リレーレンズ４０４を移動させるため、加工対象物ＯＢのＺ軸方向の検出エリアが広くなる。
【００９９】
また、第３実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。この場合、ステップＳ１１０においては、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいてモータ１０８ａを駆動する。また、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号に基づいてリレーレンズアクチュエータ４０８を駆動し、加工用レーザ光の焦点の移動量が第３リレーレンズ４０４の移動量と等しくなるようにフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する。
【０１００】
以上説明した第３実施形態のレーザ加工装置によれば、第１実施形態の効果に加えて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ検出範囲が広くなるため、Ｚ軸方向のサーボ制御可能範囲を広くすることができる。また、クローズドループ制御を行うためＺ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【０１０１】
次に、第４実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。第３実施形態においては、１つのサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射し、その加工対象物ＯＢの射影の位置に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御を行ったが、この第４実施形態においては、さらに別のサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射してその反射光の位置を検出することにより、射影と反射光との両方の位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うものである。第４実施形態のレーザ加工装置は、図１２に示すように、第３実施形態のレーザ加工装置におけるＹ軸方向受光装置４３に代えて、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４を備えている。
【０１０２】
尚、第４実施形態のレーザ加工装置は、以下に説明する構成以外については第３実施形態のレーザ加工装置と同一であるが、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４と区別するために、このサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０を第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と呼ぶ。また、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射されるサーボ用レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光と呼び、レーザ光源３０２を第１レーザ光源３０２と呼び、第１レーザ光源３０２を駆動するサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０と呼ぶ。
【０１０３】
まず、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４における、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢの射影を検出する構成から説明する。図１２に示すように、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、第３実施形態のＹ軸方向受光装置４３と同様に、第３リレーレンズ４０４、第４リレーレンズ４０６、フォトディテクタ４０２、リレーレンズアクチュエータ４０８を備えるが、更に、第３リレーレンズ４０４と第４リレーレンズ４０６と間にダイクロイックミラー４１８を介装している。第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、その波長がダイクロイックミラー４１８で反射するように設定されている。したがって、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の進む光路は、ダイクロイックミラー４１８で９０度曲がった構成となっている。
【０１０４】
第３リレーレンズ４０４に入射する第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの射影光となる。射影光は、第３リレーレンズ４０４を通過して集光されダイクロイックミラー４１８で反射する。そして、第４リレーレンズ４０６で平行光に戻されてフォトディテクタ４０２の受光面に入射する。これにより、フォトディテクタ４０２の受光面には、加工対象物ＯＢの棒状の射影が映し出される。以下、フォトディテクタ４０２を第１フォトディテクタ４０２と呼ぶ。
【０１０５】
第１フォトディテクタ４０２は、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。この第１フォトディテクタ４０２は、受光した第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光における棒状の射影が受光領域の分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、第３リレーレンズ４０４が原点位置にありＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１０６】
第３リレーレンズ４０４は、その位置がリレーレンズアクチュエータ４０８によりＺ軸方向に移動可能となっている。第３リレーレンズ４０４は、リレーレンズアクチュエータ４０８が通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心、つまり、原点に位置する。
【０１０７】
第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、更に、加工対象物ＯＢに対して第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とは反対方向から第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射し、その反射光を検出する構成として、第２レーザ光源４１０、コリメートレンズ４１２、偏光ビームスプリッタ４１４、１／４波長板４１６、第２フォトディテクタ４２０を備えている。第２レーザ光源４１０は、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ４１２により平行光となって偏光ビームスプリッタ４１４に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ４１４をそのまま透過し、１／４波長板４１６を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板４１６を通過したサーボ用レーザ光は、ダイクロイックミラー４１８を透過し、第３リレーレンズ４０４に入射する。第３リレーレンズ４０４は、対物レンズとして働くためサーボ用レーザ光を集光する。こうして加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径に集光されたレーザスポットが加工対象物ＯＢの表面に照射される。
【０１０８】
加工対象物ＯＢに照射されたサーボ用レーザ光（第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光）は、加工対象物ＯＢの表面で反射して第３リレーレンズ４０４に入射し平行光に戻されて、ダイクロイックミラー４１８をそのまま通過し、さらに、１／４波長板４１６を通過する。この場合、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなるため、偏光ビームスプリッタ４１４で反射する。偏光ビームスプリッタ４１４の反射方向には、第２フォトディテクタ４２０が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面で反射した第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第２フォトディテクタ４２０に入射する。この第２フォトディテクタ４２０は、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｅ，Ｆに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｅ，ｆ）として出力する。この第２フォトディテクタ４２０は、第３リレーレンズ４０４が原点位置にあり、かつ、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢで反射した反射光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１０９】
また、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ４１４で反射させ、その反射光を集光レンズ４２２によりフォトディテクタ４２４の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ４２４は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ４２４は、第２レーザ光源４１０が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０に供給される。
【０１１０】
第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、第２レーザ光源４１０に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、第２フォトディテクタ４２０で加工対象物ＯＢからの反射光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０は、フォトディテクタ４２４が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるように第２レーザ光源４１０に出力する電流及び電圧を調整する。これにより、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の強度が一定に維持される。
【０１１１】
第４実施形態のレーザ加工装置は、第３実施形態のＺ軸方向エラー信号生成回路１７１，Ｚ軸方向サーボ回路１８２に代えて、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１，Ｚ軸方向サーボ回路１９２を備えている。尚、Ｚ軸方向ドライブ回路１８３に関しては、第３実施形態と同一である。
【０１１２】
第１フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）、及び、第２フォトディテクタ４２０から出力される受光信号（ｅ，ｆ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１は、第１生成部１９１１と第２生成部１９１２とからなり、第１フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）が第１生成部１９１１に入力され、第２フォトディテクタ４２０から出力される受光信号（ｅ，ｆ）が第２生成部１９１２に入力される。第１生成部１９１１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果を第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）として出力する。第２生成部１９１２は、受光信号（ｅ，ｆ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｅ−ｆ）を演算し、その演算結果を第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）として出力する。
【０１１３】
第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）及び第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−f）は、Ｚ軸方向サーボ回路１９２に入力される。Ｚ軸方向サーボ回路１９２は、第１サーボ部１９２１と第２サーボ部１９２２とからなり、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が第１サーボ部１９２１に入力され、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−f）が第２サーボ部１９２２に入力される。
【０１１４】
第１サーボ部１９２１は、コントローラ９０から出力されるサーボ開始指令により作動を開始し、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。したがって、第１フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影が、受光面の中央、つまり、受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置となるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動される。また、第１サーボ部１９２１は、コントローラ９０からのサーボ切替指令に基づいて作動を停止する。
【０１１５】
第２サーボ部１９２２は、コントローラ９０から出力されるサーボ切替指令により、第１サーボ部１９２１に代わって作動を開始し、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）に基づいて、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。したがって、第２フォトディテクタ４２０に受光された第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の反射光が受光領域の中央に維持されるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動される。
【０１１６】
次に、第４実施形態におけるコントローラ９０の実行するレーザ加工制御ルーチンについて説明する。第４実施形態のレーザ加工制御ルーチンは、第１実施形態のものとステップＳ１０８〜Ｓ１１０の処理、及びステップＳ１３０〜Ｓ１３２の処理が相違する。図１３は、第１実施形態におけるステップＳ１０８〜Ｓ１１０及びステップＳ１３０〜Ｓ１３２の処理に代えて行う第４実施形態の処理を表す部分フローチャートである。
【０１１７】
コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力すると、続いて、ステップＳ２０１において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０と第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、それぞれのサーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射され、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。この第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射する処理は、本発明の第１Ｙ軸方向照射ステップに相当する。また、第１サーボ用Ｙ軸レーザ光の照射により、第１フォトディテクタ４０２が受光信号（ｃ，ｄ）を出力する処理が、本発明の第１Ｙ軸方向レーザ光検出ステップに相当する。
【０１１８】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ２０２において、Ｚ軸方向サーボ回路１９２とＹ軸方向サーボ回路１６２に対して、サーボ開始指令を出力する。これにより、各サーボ回路は、上述したＺ軸方向サーボ及びＹ軸方向サーボ制御を開始する。この場合、Ｚ軸方向サーボ回路１９２では、第１サーボ部１９２１のみが作動してＺ軸方向サーボ信号を生成する。この場合の第１生成部１９１１、第１サーボ部１９２１及びＺ軸方向ドライブ回路１８３の処理が、本発明の第１Ｚ軸方向サーボステップに相当する。
【０１１９】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ２０３において、サーボ開始指令の出力から所定時間経過するまで待機する。この間、上述したサーボ制御が継続される。この場合、Ｚ軸方向サーボにおいては、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射された第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢの射影が、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４の第１フォトディテクタ４０２の受光面の中央位置にくるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、加工用レーザ光の焦点の移動量が第３リレーレンズ４０４の移動量と同じになるように第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動されるため、Ｚ軸方向のサーボ制御可能範囲が広い。したがって、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転中心軸に対してＺ軸方向に大きくずれていても、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面にまで移動させることができる。
【０１２０】
サーボ開始指令の出力から所定時間経過すると（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、コントローラ９０は、ステップＳ２０４において、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０及びＺ軸方向サーボ回路１９２に対してサーボ切替指令を出力する。これにより、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０による第１レーザ光源３０２の駆動が停止され、代わりに、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０による第２レーザ光源４１０の駆動が開始される。したがって、加工対象物ＯＢには、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光に代わって第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光が照射される。この第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４から第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射する処理は、本発明の第２Ｙ軸方向照射ステップに相当する。また、第２サーボ用Ｙ軸レーザ光の照射により、第２フォトディテクタ４２０が受光信号（ｅ，ｆ）を出力する処理が、本発明の第２Ｙ軸方向レーザ光検出ステップに相当する。
【０１２１】
また、同時に、Ｚ軸方向サーボ回路１９２においては、第１サーボ部１９２１に代わって第２サーボ部１９２２が作動を開始する。これにより、Ｚ軸方向のサーボ制御態様が切り替わり、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢからの反射光が第２フォトディテクタ４２０の受光面の中央位置にくるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、加工用レーザ光の焦点の移動量が第３リレーレンズ４０４の移動量と同じになるように第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動される。この場合、反射光位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うため、加工対象物ＯＢのＺ軸方向の変位に対して第２サーボ部１９２２の出力する第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）の変化が大きくなり、高精度にＺ軸方向サーボ制御を行うことができる。この場合の第２生成部１９１２，第１サーボ部１９２２，Ｚ軸方向ドライブ回路１８３の処理が、本発明の第２Ｚ軸方向サーボステップに相当する。コントローラ９０は、ステップＳ２０４においてＺ軸方向のサーボ制御態様を切り換えると、上述したステップＳ１１２からの処理を実行する。
【０１２２】
コントローラ９０は、第１実施形態のステップＳ１３０，Ｓ１３２の処理に代えて、ステップＳ２０５，Ｓ２０６の処理を実行する。コントローラ９０は、ステップＳ２０５において、Ｚ軸方向サーボ回路１９２とＹ軸方向サーボ回路１６２に対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、フォーカスアクチュエータ１１２ａ、モータ１０８ａ及びリレーレンズアクチュエータ４０８の作動が停止する。続いて、ステップＳ２０６において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０及び第２サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路４４０に対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射、及び第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４からの第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の照射が停止される。
【０１２３】
以上説明した第４実施形態のレーザ加工装置によれば、最初に加工対象物ＯＢの射影の検出位置に基づいてＺ軸方向のフォーカスサーボ制御を開始し（サーボ制御の引き込みを行い）、その後、加工対象物ＯＢの反射光の検出位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うようにしているため、Ｚ軸方向サーボ制御の引き込みを確実に行え、Ｚ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【０１２４】
次に、第５実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。上述した第１〜第４実施形態のレーザ加工装置においては、サーボ用レーザ光の照射源としてＺ軸方向とＹ軸方向とで別々のレーザ光源を備え、また、それらサーボ用レーザ光を検出する別々のフォトディテクタを備えた構成であったが、第５実施形態においては、Ｚ軸方向とＹ軸方向とでレーザ光源とフォトディテクタとを共通化した構成を採用している。
【０１２５】
図１４は、第５実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１５の概略構成を表す。この加工用ヘッド１５は、第１実施形態における加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０及びＹ軸方向受光装置４０に代えて設けられるもので、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する機能と、加工対象物ＯＢにサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを照射する機能と、加工対象物ＯＢに照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光との両方の射影光を検出する機能を有する。図中において、第１実施形態と同じものについては、第１実施形態で使用した符号と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【０１２６】
加工用ヘッド１５は、その中央に加工対象物ＯＢが挿通される領域Ｈ（空間）が設けられており、その領域Ｈに加工用レーザ光及びサーボ用レーザ光を出射するように構成されている。加工用ヘッド１５は、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する構成として、加工用レーザ駆動回路１５０により駆動されるレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、１／４波長板１１０、第１リレーレンズ１１２、第２リレーレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１６及び対物レンズ１１８と、第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向の位置を調整するフォーカスアクチュエータ１１２ａと、ガルバノミラー１０８の回転角度を調整するモータ１０８ａを備えている。また、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度を検出するための構成として、集光レンズ１２２とフォトディテクタ１２４とを備えている。また、加工用レーザ光の強度を検出するための構成として、集光レンズ１２６とフォトディテクタ１２８とを備えている。これらの構成は、第１実施形態と同一である。したがって、加工用レーザ光の進む経路や、フォトディテクタ１２４，１２８の出力に基づく制御についても第１実施形態と同一である。
【０１２７】
加工用ヘッド１５は、第１リレーレンズ１１２が原点位置にあり、かつ、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように位置決めされている。
【０１２８】
つぎに、サーボ用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成について説明する。加工用ヘッド１５は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と同様な、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光を平行光にするコリメートレンズ２０４と、平行光の大半（例えば９５％）を透過し残りを反射する偏光ビームスプリッタ２０６と、偏光ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８と、集光レンズ２０８により集光されたサーボ用レーザ光の強度を検出するフォトディテクタ２１０を備えている。レーザ光源２０２は、サーボ用レーザ駆動回路５４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。このサーボ用レーザ駆動回路５４０は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に相当するもので、フォトディテクタ２１０により検出したサーボ用レーザ光の光強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流及び電圧を調整する。
【０１２９】
サーボ用レーザ光が偏光ビームスプリッタ２０６を透過する方向には、ビームスプリッタ２１２が設けられる。ビームスプリッタ２１２は、入射したサーボ用レーザ光の半分を透過し残り半分を反射する。したがって、サーボ用レーザ光は、光強度が同程度となる２つのサーボ用レーザ光に分けられる。ビームスプリッタ２１２を透過したサーボ用レーザ光は、加工対象物ＯＢに対して加工用レーザ光とは反対方向からＺ軸方向に照射される。以下、ビームスプリッタ２１２を透過したサーボ用レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と呼ぶ。このサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と同様に、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であり、その光軸が、加工用ヘッド１５のガルバノミラー１０８が原点位置にあるときに加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。
【０１３０】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が対物レンズ１１８に入射する。この場合、対物レンズ１１８に入射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の射影が形成された射影光となる。対物レンズ１１８に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、集光されてダイクロイックミラー１１６に入射して反射する。ダイクロイックミラー１１６の反射方向には、リレーレンズ１３０（結像レンズ）、偏光ビームスプリッタ２２８及びフォトディテクタ２３０が設けられている。偏光ビームスプリッタ２２８は、透過方向がレーザ光源２０２を出射したレーザ光の偏光方向に設定されている。したがって、ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、リレーレンズ１３０を通過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ２２８を透過してフォトディテクタ２３０の受光面に入射する。こうしてフォトディテクタ２３０の受光面には、加工対象物ＯＢの影であるＸ軸方向に延びた棒状の射影が映し出される。
【０１３１】
フォトディテクタ２３０は、図１５に示すように、受光領域が十字状に４分割された４つの同一正方形状の受光素子を備え、時計回りに配置された受光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）として出力する。このフォトディテクタ２３０は、十字状の分割線ＤＩＶがＺ軸方向とＸ軸方向とに向くように配置されている。以下、分割線ＤＩＶのうち、Ｘ軸方向に向いた分割線をＸ軸方向分割線ＤＩＶＸと呼び、Ｚ軸方向に向いた分割線をＺ軸方向分割線ＤＩＶＺと呼ぶ。
【０１３２】
また、ビームスプリッタ２１２で反射したサーボ用レーザ光は、第１反射ミラー２１４と第２反射ミラー２１６とで反射して加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。以下、ビームスプリッタ２１２で反射したサーボ用レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と呼ぶ。このサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第１実施形態のサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と同様に、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であり、その光軸がワーク駆動装置５０の回転軸と交差するように光路が位置決めされている。
【０１３３】
加工対象物ＯＢを挟んで第２反射ミラー２１６と向かい合う位置に第３反射ミラー２１８が設けられる。第２反射ミラー２１６で反射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光（射影光）が第３反射ミラー２１８に入射する。サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第３反射ミラー２１８で反射し、更に、第４反射ミラー２２０で反射する。第４反射ミラー２２０の反射方向には、像回転プリズム（ダブプリズム）２２２及び第５反射ミラー２２４が設けられる。第４反射ミラー２２０で反射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、像回転プリズム２２２で像が９０度回転する。したがって、像回転プリズム２２２から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの射影の向きがＺ軸方向となる。像回転プリズム２２２から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第５反射ミラー２２４で反射して進行方向を変え、１／２波長板２２６を通過することで偏光方向が９０度変化して偏光ビームスプリッタ２２８に入射する。偏光ビームスプリッタ２２８は透過方向がレーザ光源２０２を出射したレーザ光の偏光方向に設定されているため、入射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は偏光ビームスプリッタ２２８で反射する。これにより、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが合成される。
【０１３４】
フォトディテクタ２３０には、図１５に示すように、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とによる加工対象物ＯＢの射影Ｓが映し出されるが、この射影Ｓは、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに延びた十字形状となる。このフォトディテクタ２３０は、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに射影Ｓが受光領域のＺ軸方向分割線ＤＩＶＺにより２等分される位置で、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに射影Ｓが受光領域のＸ軸方向分割線ＤＩＶＸにより２等分される位置に配置される。
【０１３５】
フォトディテクタ２３０の出力する受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、ぞれぞれ、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１とＺ軸方向エラー信号生成回路５７１とに入力される。この第５実施形態においては、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１は、受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））の演算を行い、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））として出力する。Ｙ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。また、Ｚ軸方向エラー信号生成回路５７１は、受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の演算を行い、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））として出力する。Ｚ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＺ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【０１３６】
Ｙ軸方向サーボ回路５６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１から入力したＹ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））に基づいて、Ｙ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路５６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路５６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａを駆動する信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。これにより、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差する位置に維持される。
【０１３７】
また、Ｚ軸方向サーボ回路５７２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｚ軸方向エラー信号生成回路５７１から入力したＺ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点位置を移動させるための第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路５７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路５７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけＺ軸方向にずれた位置に対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点が位置するように、第１リレーレンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に維持される。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸とずれている量だけ加工用レーザ光の焦点が移動するように第１リレーレンズ１１２を原点位置から移動させることにより、常に、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面と一致させることができる。
【０１３８】
尚、本実施形態においても、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光路上に第３リレーレンズ４０４，第４リレーレンズ４０６を設け、第３実施形態と同様、第３リレーレンズ４０４をリレーレンズアクチュエータ４０８で駆動し、それと等しい駆動量でフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動して、クローズドループ制御によりＺ軸方向サーボ制御を行うようにすることができる。
【０１３９】
また、加工対象物ＯＢに形成されるビームスポットの径が大きくてもよい場合は、図１６に示すように、対物レンズ１１８の焦点距離を長くすることができるので、加工対象物ＯＢと対物レンズ１１８の間にビームスプリッタ２３２を設け、像回転プリズム２２２から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光をビームスプリッタ２３２で合成するようにしてもよい。この場合、加工対象物ＯＢから対物レンズ１１８までの光路長を２つの方向のレーザ光において等しくする必要があるため、リレーレンズ２３４，２３６を設ける。
【０１４０】
以上説明した第５実施形態のレーザ加工装置によれば、第１実施形態の効果を奏するだけでなく、サーボ用レーザ光のレーザ光源、サーボ用レーザ駆動回路、フォトディテクタ、その他の光学素子の数を減らすことができ、装置の低コスト化を図ることができる。
【０１４１】
尚、第１実施形態では、レーザ加工制御ルーチンにおけるステップＳ１０８，Ｓ１３２の処理において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０との両方に対して照射開始指令又は照射停止指令を出力したが、第５実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを共通のレーザ光源２０２から出射するように構成しているため、照射開始指令及び照射停止指令は、レーザ光源２０２を駆動するサーボ用レーザ駆動回路５４０のみに対して出力される。
【０１４２】
以上、本発明の５つの実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【０１４３】
例えば、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の光軸方向を変更するために、ガルバノミラー１０８を用いているが、これに代えて、ポリゴンミラー、立上ミラー（例えば、特許第３８５２０７３号公報）、音響光学偏向器、電気光学偏向器などを用いてもよい。
【０１４４】
また、上記第１実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光を集光させる対物レンズ１１８を介してフォトディテクタ１３２で受光する構成を採用しているが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１１８の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成であってもよい。この構成では、加工対象物ＯＢの変動を加工用レーザ光の焦点位置の近傍で検出することになるが、加工対象物ＯＢの変動が大きくなければサーボ制御は可能である。
【０１４５】
また、上記各実施形態においては、フォーカスアクチュエータ１１２ａによる第１リレーレンズ１１２の駆動及びモータ１０８ａによるガルバノミラー１０８の駆動により加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの適正位置になるように制御したが、Ｙ軸方向サーボ回路１６２、５６２が出力する信号の直流成分（オフセット部分）を検出し、この直流成分がゼロになるように加工用ヘッド及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドをＹ軸方向に一体的に移動させるアクチュエータを別に設けるようにしてもよい。この場合には、ガルバノミラー１０８が原点位置を中心に駆動されるため、さらに精度の高いサーボ制御を行うことができる。
【０１４６】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置をＸ軸方向に移動させるにあたって、ワーク駆動装置５０により加工対象物ＯＢをＸ軸方向に移動させているが、例えば、加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０、Ｙ軸方向受光装置４０を一体化したユニットをＸ軸方向に移動させる構成であってもよい。
【０１４７】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させているが、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０、Ｙ軸方向受光装置４０を加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させる構成であってもよい。
【０１４８】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢを横方向に向けて固定しているが、加工対象物ＯＢを固定する向きは任意の方向に設定できるものである。また、これに伴って、加工用レーザ光、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の向きに関しても、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の関係を満たす条件で任意に設定できるものである。
【符号の説明】
【０１４９】
ＯＢ…加工対象物、１０，１２，１５…加工用ヘッド、２０…サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド、３０…サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド、４０，４３…Ｙ軸方向受光装置、４４…第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド、５０…ワーク駆動装置、５１…移動ステージ、５２…スピンドルモータ、５５…フィードモータ、５６…スピンドルモータ制御回路、５７…フィードモータ制御回路、５８…移動位置検出回路、９０…コントローラ、１０２，２０２，１３０，３０２，４１０…レーザ光源、１１２…第１リレーレンズ、１１６…ダイクロイックミラー、１１８…対物レンズ、１１２ａ…フォーカスアクチュエータ、１１８…ガルバノミラー、１１８ａ…モータ、１２４，１２６，１３２，１４２，１４６，２１０，２３０，３１０，４０２，４２０，４２４…フォトディテクタ、４０４…第３リレーレンズ、４０８…リレーレンズアクチュエータ、１６１，５６１…Ｙ軸方向エラー信号生成回路、１６２，５６２…Ｙ軸方向サーボ回路、１６３，５６３…Ｙ軸方向ドライブ回路、１７１，１９１，５７１…Ｚ軸方向エラー信号生成回路、１７２，１８２，１９２，５７２…Ｚ軸方向サーボ回路、１７３，１８３、５７３…Ｚ軸方向ドライブ回路、２１２…ビームスプリッタ、２２２…像回転プリズム、２４０…サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路、３４０…サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路、４４０…第２サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路、５４０…サーボ用レーザ駆動回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒パイプ状の加工対象物の表面をレーザ加工するレーザ加工装置、及び、レーザ加工装置におけるレーザ光の焦点位置を加工対象物の適正位置に合わせるフォーカスサーボ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドラム状の固定治具の外周面にシート状の加工対象物を固定し、固定治具をその中心軸周りに回転させながら軸方向に沿って移動させるとともに、加工ヘッドにより加工用レーザ光を対物レンズで集光して加工対象物の表面に照射することで、加工対象物表面に螺旋状にレーザ加工（ピット、溝、反応跡等の形成）を施すレーザ加工装置が知られている。このようなレーザ加工装置は、例えば、特許文献１に提案されている。
【０００３】
ドラム式レーザ加工装置において、加工対象物に微細なレーザ加工を行う場合は、例えば、特許文献２に提案されているように、光ディスク装置におけるフォーカスサーボ制御と同様、加工対象物からの反射光を４分割された受光領域を有するフォトディテクタで受光し、非点収差法等により、各受光領域の受光信号からレーザ光の焦点位置と加工対象物の表面との光軸方向のずれに相当するフォーカスエラー信号を生成する。そして、このフォーカスエラー信号の値がゼロになるように、レーザ光を集光する対物レンズをレーザ光の光軸方向に移動させることで、レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３２２６８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４３６６３号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、上記フォーカスサーボ制御は、レーザ光を加工対象物の表面に垂直に照射できることを前提としているが、加工対象物が非常に細い円筒パイプ（例えば、直径が５０μｍの円筒パイプ）である場合には、レーザ光の光軸が円筒パイプの中心軸からずれている（交差しない）と、レーザ光を加工対象物の表面に対して斜めに照射してしまうため、適切なフォーカスエラー信号を生成することができない。こうした場合においては、加工対象物のレーザ光の光軸方向の変動に加えて光軸に垂直な方向の変動も考慮しなければならない。したがって、従来のフォーカスサーボ制御では、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することは不可能であった。
【０００６】
また、加工対象物をより微細に加工する場合、高硬度の加工対象物を加工する場合などにおいては、焦点位置に形成される光スポットを小さくでき、アブレーション加工（熱を利用しない加工）が可能な紫外線レーザを用いることがある。この場合、各種光学部品として、例えば石英ガラス、フッ化カルシウムなどで形成された透過率が高い部品を用いる。一般的には、石英ガラス製の部品を用いる。しかし、石英ガラスは、紫外領域で波長に対する屈折率の変化が大きいため、対物レンズとして石英ガラス製のレンズを用いると、この対物レンズにて発生する色収差（波長の変化に対する焦点位置の変化）が大きい。また、石英ガラスの屈折率は、ホウケイ酸塩クラウンガラス（ＢＫ７）の屈折率に比べると小さいので、開口数が同じであっても、レンズの曲率を大きくする必要があり、球面収差が発生し易い。このため、対物レンズを石英ガラス製の複数のレンズで構成して、収差の発生を抑制している。しかし、対物レンズを複数のレンズで構成すると、対物レンズが重くなり、対物レンズを駆動してフォーカスサーボを行う場合、加工対象物の位置の変動に十分に追従できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、直径が非常に小さい円筒パイプ状の加工対象物の表面をレーザ加工する場合であって、重い対物レンズを用いる場合であっても、レーザ光の焦点が加工対象物の適正位置になるように制御することを目的とする。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、後述する実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、円筒パイプ状の加工対象物（ＯＢ）を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段（５１）と、加工対象物を加工する加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源（１０２）及び加工用レーザ光を加工対象物の表面に集光する対物レンズ（１１８）を備え、加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向に加工用レーザ光を照射する加工用レーザ光照射手段（１０２，１０４，１０８，１１８）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向回りに回転させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向回りに回転させる回転手段（５２）と、加工対象物又は加工用レーザ光照射手段をＸ軸方向に変位させて、加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、加工対象物に対して相対的にＸ軸方向に移動させる移動手段（５１，５３）とを備えたレーザ加工装置において、加工用レーザ光源と対物レンズの間に設けられ、加工用レーザ光の光軸の方向を変更する光軸方向変更部材（１０８）と、加工用レーザ光源と対物レンズの間に設けられ、加工用レーザ光の光軸方向に移動可能な加工レーザ用リレーレンズ（１１２）と、照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向がＺ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段（２０２，２０４；３０２，３０４；１３４，１３６，１１６，１０８，１１８；４１０，４１２，４０４；２０２，２０４，２１２，２１４，２１６）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される加工対象物の射影又は加工対象物からの反射光を受光して、受光位置に応じた受光信号を出力するサーボ用レーザ光受光手段（１３２；４０２；１４２；４０４，４０６，４０２；４０４，４１４，４２０）と、受光信号に応じて、加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように光軸方向変更部材を駆動するとともに、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面位置と一致するように加工レーザ用リレーレンズを駆動するサーボ手段（１６１，１６２，１６３，１０８ａ，１７１，１７２，１７３，１１２ａ；１７１，１８２，１８３，１１２ａ；５６１，５６２，５６３，５７１，５７２，５７３；１９１，１９２，１８３，１１２ａ）を備えたことにある。
【０００９】
この場合、サーボ用レーザ光受光手段は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影又は加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出手段（１３２；１４２）と、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影又は加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出手段（４０２；４２０）を備え、サーボ手段は、Ｚ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段（１６１，１６２，１６３，１０８ａ）と、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するように加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段（１７１，１７２，１７３，１１２ａ；１７１，１８２，１８３，１１２ａ）を備えるとよい。
【００１０】
また、この場合、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として加工対象物へＺ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段（２０２，２０４）と、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段（３０２，３０４）とを備え、Ｚ軸方向レーザ光検出手段（１３２）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力するとよい。
【００１１】
また、この場合、Ｚ軸方向照射手段（２０２，２０４）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ、加工対象物に対して加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、加工用レーザ光を加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離してＺ軸方向レーザ光検出手段の受光面に導く分離用光学素子（１１６）を備えるとよい。
【００１２】
また、この場合、サーボ用レーザ光照射手段は、対物レンズにより加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として加工用レーザ光と同軸となる位置で加工対象物へＺ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段（１３４，１３６，１１６，１０８，１１８）と、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段（３０２，３０４）とを備え、Ｚ軸方向レーザ光検出手段（１４２）は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力するとよい。
【００１３】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、Ｚ軸方向とＹ軸方向との２方向における加工対象物の射影又は加工対象物からの反射光の検出位置に基づいて光軸方向変更部材及び加工レーザ用リレーレンズを駆動する。したがって、加工対象物の位置がＺ軸方向及びＹ軸方向に変動しても、簡単に、加工用レーザ光を加工対象物の表面の適正位置に照射することができ、加工対象物を良好に加工することができる。また、対物レンズを駆動しないので、対物レンズを複数のレンズで構成することにより、対物レンズが重くなっても構わない。
【００１４】
本発明の他の特徴は、Ｙ軸方向レーザ光検出手段（４０２）の受光面への入射光路に、Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）を設け、Ｚ軸方向サーボ手段（１７１，１８２，１８３，１１２ａ，４０８）は、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）をＺ軸方向に駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズ（１１２）をＺ軸方向に駆動することにある。
【００１５】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、Ｚ軸方向サーボ手段が、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の棒状の射影がＹ軸方向レーザ光受光手段の受光面の中央に位置するようにリレーレンズを駆動する。リレーレンズを光軸に対して垂直方向に移動させると、それに伴って、Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面に映し出されるサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の射影が移動する。したがって、Ｚ軸方向サーボ手段は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物の射影の位置をフィードバックして、射影がＹ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するようにリレーレンズを駆動制御することができる。
【００１６】
また、Ｚ軸方向サーボ手段は、このリレーレンズの駆動と合わせて加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動することにより、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物の表面に一致させる。この結果、Ｚ軸方向サーボ手段の精度が向上するとともに、加工用レーザ光のＺ軸方向の焦点位置の調整範囲を広くすることができる。
【００１７】
本発明の他の特徴は、Ｙ軸方向照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射手段（３０２，３０４）と、加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として加工対象物へＹ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射手段（４１０，４１２，４０４）とを備え、Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出器（４０２）と、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出器（４２０）とを備え、第１Ｙ軸方向レーザ光検出器（４０２）と第２Ｙ軸方向レーザ光検出器（４２０）との共通の入射光路に、Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズ（４０４）を設け、Ｚ軸方向サーボ手段は、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物に照射して形成される射影が第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボ手段（１９１１，１９２１，１８３，１１２ａ，４０８）と、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物からの反射光が第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するようにサーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボ手段（１９１２，１９２２，１８３，１１２ａ，４０８）と、第１Ｚ軸方向サーボ手段の作動の後に、第２Ｚ軸方向サーボ手段が作動するように作動切替を行う作動切替手段（９０）とを備えたことにある。
【００１８】
上記のように構成したレーザ加工装置においては、レーザ光の焦点位置と加工対象物の表面とのずれを検出する場合、加工対象物の射影位置を用いれば検出範囲が広くなり、加工対象物の反射光位置を用いれば検出精度が高くなる。したがって、先に、加工対象物の射影位置に基づいてＺ軸方向のフォーカスサーボ制御を開始し（サーボ制御の引き込みを行い）、その後、加工対象物の反射光位置に基づいてＺ軸方向のフォーカスサーボ制御を行うことで、Ｚ軸方向のフォーカスサーボ制御の引き込みを確実に行え、Ｚ軸方向のフォーカスサーボ制御を高精度に行うことができる。
【００１９】
本発明の他の特徴は、サーボ用レーザ光照射手段は、加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するサーボ用レーザ出射手段（２０２，２０４）と、サーボ用レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離する分離光学素子（２１２）とを備え、サーボ用レーザ光検出手段は、受光領域が十字状に分割された受光面を有し、各受光領域ごとに受光した光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器（２３０）と、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物に照射して形成されるそれぞれの射影が十字状にクロスするように合成してレーザ光検出器の受光面に導く合成光学素子（２２８；２３２）とを備え、サーボ手段は、レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、加工用レーザ光の光軸が加工対象物の中心軸と交差するように光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段（５６１，５６２，５６３，１０８ａ）と、レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物の表面と一致するように加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段（５７１，５７２，５７３，１１２ａ）を備えたことにある。
【００２０】
上記のように構成したレーザ加工装置によれば、フォーカスサーボ用のレーザ光源、レーザ光検出器、その他の光学素子を減らすことができるため、低コスト化を図ることができる。尚、本発明において、上下、左右とは、絶対的な方向を意味するものではなく、受光面における一方の方向を上下と定義したときに、それに対して垂直な方向を左右と定義するものである。
【００２１】
本発明の他の特徴は、加工用レーザ光照射手段により加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する焦点位置不適正判定手段（Ｓ１１６）を備えたことにある。
【００２２】
本発明においては、焦点位置不適正判定手段が、加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する。したがって、レーザ加工を開始する前に、Ｙ軸方向サーボ手段とＺ軸方向サーボ手段とを作動させた状態で、焦点位置不適正判定手段によりフォーカスサーボ制御が適正に行われているか否かを確認することができる。このため、レーザ加工の失敗を防止することが可能となる。
【００２３】
更に、本発明の実施にあたっては、レーザ加工装置の発明に限定されることなく、レーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法の発明としても実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドの概略構成図である。
【図３】第１実施形態に係るレーザ加工装置のサーボ用Ｙ軸方向光ヘッドとＹ軸方向受光装置の概略構成図である。
【図４】Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を表す説明図である。
【図５】フォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図６】加工対象物の変位とエラー信号波形値との関係を表す特性図である。
【図７】フォトディテクタに照射された射影の状態を表す説明図である。
【図８】レーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図９】第２実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【図１０】加工対象物の変位とフォトディテクタに照射された反射光の位置変化との関係を表す説明図である。
【図１１】第３実施形態に係るレーザ加工装置のＹ軸方向受光装置とＺ軸方向サーボ系回路の概略構成図である。
【図１２】第４実施形態に係るレーザ加工装置のＹ軸方向受光装置とＺ軸方向サーボ系回路の概略構成図である。
【図１３】第４実施形態に係るレーザ加工装置のレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャート（変更部分）である。
【図１４】第５実施形態に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドとサーボ系回路の概略構成図である。
【図１５】フォトディテクタに照射された十字状の射影の状態を表す説明図である。
【図１６】第５実施形態の変形例に係るレーザ加工装置の加工用ヘッドの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。このレーザ加工装置は、細い円筒パイプ状の加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射してレーザ加工を行うものである。レーザ加工装置は、加工対象物ＯＢを保持して加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させるとともに加工対象物ＯＢをその中心軸方向に移動させるワーク駆動装置５０と、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する加工用ヘッド１０と(図２参照）、加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と(図２参照）、同じく加工対象物ＯＢの表面にサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射するサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と（図３参照）、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から照射されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するＹ軸方向受光装置４０と（図３参照）、各種の電気回路（後述する）と、レーザ加工装置全体の作動を制御するコントローラ９０とを備えている。
【００２６】
ここで、レーザ加工装置における方向を定義する。図４に示すように、ワーク駆動装置５０に固定された加工対象物ＯＢの中心軸線方向をＸ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向に対して垂直方向であって加工用ヘッド１０から加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の光軸の方向をＺ軸方向と呼ぶ。また、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方に対して垂直となる方向をＹ軸方向と呼ぶ。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光源１０が出射する加工用レーザ光の光軸がＺ軸方向となるように固定されている。なお、加工用ヘッド１０を構成する各種部品のうちのいくつかの部品は図１の紙面の表面側に位置するものであるが、図１においては、各種部品が重ならないように、それらの部品をＸ軸方向から見た状態を記載している。この点については、図２において詳しく説明する。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、加工対象物ＯＢに照射するサーボ用レーザ光の光軸がＹ軸方向となるように固定されている。したがって、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０は、図１の紙面の前後に位置するものであるが、図１においては、両者が重ならないように左右に配置して記載している。
【００２７】
本実施形態における加工対象物ＯＢは、表面にフォトレジストが被覆された直径５０μｍのニッケルパイプである。この加工対象物ＯＢは、最終的に直径５０μｍのマイクロスプリングの製作に使用されるパイプに加工されるもので、本実施形態のレーザ加工装置は、フォトレジストの表面に加工用レーザ光を螺旋状に照射することにより、フォトレジストに螺旋状の反応跡を形成する装置として使用される。加工対象物ＯＢは、その後、現像液に浸漬されて反応跡が除去され、残ったフォトレジストをマスクとして使ってエッチングされる。これにより、ニッケルパイプに螺旋状の開口が形成されてマイクロスプリング製作用のパイプが作られる。
【００２８】
このように非常に細い径のパイプ状の加工対象物ＯＢに対してレーザ加工を行う場合には、従来から知られているように加工用レーザ光の反射光から非点収差法などによりフォーカスエラー信号を生成しても、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸から外れてしまうと、適正なフォーカスエラー信号が得られない。そこで、本実施形態においては、加工対象物ＯＢにサーボ用レーザ光をＺ軸方向とＹ軸方向とに照射し、加工対象物ＯＢが映し出される射影の位置に基づいて加工用レーザ光の焦点位置を制御する。
【００２９】
まず、ワーク駆動装置５０から説明する。ワーク駆動装置５０は、加工対象物ＯＢの両端をチャッキングして回転可能に保持する移動ステージ５１と、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させるスピンドルモータ５２と、移動ステージ５１をＸ軸方向に移動させるねじ送り機構５３とを備えている。
【００３０】
ねじ送り機構５３は、移動ステージ５１に固定されたナット(図示略）に螺合するスクリューロッド５４と、スクリューロッド５４を回転させるフィードモータ５５とを備えている。スクリューロッド５４は、移動ステージ５１に保持された加工対象物ＯＢの中心軸（すなわち、スピンドルモータ５２の回転軸）と平行となるＸ軸方向に延びて設けられ、その一端側が、レーザ加工装置本体フレーム（図示略）に固定されたフィードモータ５５の出力軸に連結され、他端側が、レーザ加工装置本体フレームに固定された軸受部（図示略）に回転可能に軸支される。また、移動ステージ５１は、図示しない案内ガイドにより、回転規制されており、Ｘ軸方向にのみ移動可能となっている。したがって、フィードモータ５５を正転又は逆転駆動すると、フィードモータ５５の回転運動が移動ステージ５１の直線運動に変換され、加工対象物ＯＢがＸ軸方向に前進又は後退できるようになっている。
【００３１】
スピンドルモータ５２内には、エンコーダ５２ａが組み込まれている。エンコーダ５２ａは、スピンドルモータ５２が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号は、スピンドルモータ制御回路５６に入力される。スピンドルモータ制御回路５６は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、エンコーダ５２ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００３２】
フィードモータ５５内にも、エンコーダ５５ａが組み込まれている。このエンコーダ５５ａは、フィードモータ５５が所定の微小回転角度だけ回転する度に、その出力がハイレベルとローレベルとに交互に切り替わるパルス列信号を出力する。エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号は、フィードモータ制御回路５７と移動位置検出回路５８に入力される。移動位置検出回路５８は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、作動開始後、エンコーダ５５ａから出力されるパルス信号が入力されなくなると移動限界位置を意味する信号をフィードモータ制御回路５７に出力し、カウント値を「０」として、以後、エンコーダ５５ａが出力するパルス信号のパルス数をカウントする。そして積算したカウント数から移動ステージ５１の移動位置を計算してコントローラ９０及びフィードモータ制御回路５７に出力する。このカウント値が「０」となる移動限界位置が、移動ステージ５１の移動位置を制御する原点位置となる。
【００３３】
フィードモータ制御回路５７は、コントローラ９０からの指示により作動開始し、コントローラ９０から移動位置の設定値を入力すると、移動位置検出回路５８から所定時間間隔で出力される移動位置を入力し、入力した移動位置がコントローラ９０から入力した設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。なお、作動開始直後において移動位置の設定値が入力されると、フィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動限界位置方向に移動させ、移動位置検出回路５８から移動限界位置を表す信号を入力するとフィードモータ５５への駆動信号の出力を停止する。その後、移動位置検出回路５８から出力される移動位置がコントローラ９０から入力した移動位置の設定値になるまでフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を移動させる。
【００３４】
また、フィードモータ制御回路５７には、移動ステージ５１の移動速度の設定値（設定速度）がコントローラ９０により入力される。そして、コントローラ９０から移動開始の指示を入力すると、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００３５】
次に、加工用ヘッド１０について図２を用いて説明する。加工用ヘッド１０は、加工対象物ＯＢの円筒表面に加工用レーザ光を照射する機能と、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光して加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれに応じた信号を出力する機能を有する。加工用ヘッド１０は、加工用レーザ光を出射するレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、１／４波長板１１０、第１リレーレンズ１１２、第２リレーレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１６及び対物レンズ１１８を備えている。なお、レーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６は、図２の紙面の表面側に位置する。すなわち、Ｙ軸方向から見ると、これらの部品がガルバノミラー１０８に重なるような配置になっている。そこで、図２においては、部品が重ならないように、レーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６及びガルバノミラー１０８については、Ｘ軸方向から見た状態を記載している。後述する集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４、集光レンズ１２６及びフォトディテクタ１２８も同様にＸ軸方向から見た状態を記載している。
【００３６】
レーザ光源１０２は、加工用レーザ駆動回路１５０から供給される電流及び電圧により駆動されて加工用レーザ光をＹ軸方向に出射する。レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光は、コリメートレンズ１０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。加工用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１０６をそのまま透過し、ガルバノミラー１０８に入射する。ガルバノミラー１０８は、Ｘ軸に平行な回転軸を有し、前記回転軸は、モータ１０８ａの駆動軸に組み付けられている。すなわち、ガルバノミラー１０８は、モータ１０８ａによって正転・逆転駆動され、入射した加工用レーザ光を反射して光軸方向を変更する。ガルバノミラー１０８にて反射した加工用レーザ光は、１／４波長板１１０を透過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１１０を透過した加工用レーザ光は、第１リレーレンズ１１２及び第２リレーレンズ１１４及びダイクロイックミラー１１６を透過して対物レンズ１１８に入射する。対物レンズ１１８は、レーザ光の透過率が高い材料（例えば、石英ガラス、フッ化カルシウム結晶など）で形成された複数のレンズからなる。こうして、加工用レーザ光は、対物レンズ１１８により加工対象物ＯＢの表面で集光する。
【００３７】
第１リレーレンズ１１２には、フォーカスアクチュエータ１１２ａが設けられている。フォーカスアクチュエータ１１２ａは、第１リレーレンズ１１２を加工用レーザ光の光軸方向、つまり、Ｚ軸方向に移動させる。したがって、フォーカスアクチュエータ１１２ａを作動させることにより加工用レーザ光の焦点位置をＺ軸方向（光軸方向）に移動できる。また、ガルバノミラー１０８を回転駆動することにより加工用レーザ光の焦点位置をＹ軸方向に移動できる。尚、第１リレーレンズ１１２は、フォーカスアクチュエータ１１２ａが通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心に位置する。以下、この位置を第１リレーレンズ１１２の原点位置と呼ぶ。また、ガルバノミラー１０８は、モータ１０８ａに通電されていないときに、回転可動範囲の中心に位置する。以下、この位置をガルバノミラー１０８の原点位置と呼ぶ。
【００３８】
対物レンズ１１８で集光された加工用レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面に照射され反射する。加工対象物ＯＢで反射した反射光は、対物レンズ１１８、ダイクロイックミラー１１６、第２リレーレンズ１１４、第１リレーレンズ１１２及び１／４波長板１１０を透過して、ガルバノミラー１０８に入射する。そして、反射光は、ガルバノミラー１０８にて反射し、偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。この場合、反射光は、１／４波長板１０８を２回通過したことになるため、レーザ光源１０２から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。したがって、１／４波長板１１０を通過した反射光は、偏光ビームスプリッタ１０６で反射する。偏光ビームスプリッタ１０６の反射方向には、集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４が設けられている。このため、偏光ビームスプリッタ１０６で反射した反射光は、集光レンズ１２２によりフォトディテクタ１２４に集光する。
【００３９】
フォトディテクタ１２４は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２４は、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度に対応した受光信号を出力する。フォトディテクタ１２４の出力する受光信号は、増幅回路１５２により増幅され、Ａ／Ｄ変換器１５３に供給される。Ａ／Ｄ変換器１５３は、コントローラ９０からの指令により作動し、増幅回路１５２から供給された受光信号をデジタル信号に変換してコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、この受光信号が表す反射光強度から、後述するＺ軸方向とＹ軸方向のサーボ制御が適切に行われているかを判断する。
【００４０】
また、加工用ヘッド１０は、レーザ光源１０２から出射された加工用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１０６で反射させ、その反射光を集光レンズ１２６によりフォトディテクタ１２８の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１２８は、フォトディテクタ１２４と同様に、その受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ１２８は、レーザ光源１０２が出射した加工用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、加工用レーザ駆動回路１５０に供給される。
【００４１】
加工用レーザ駆動回路１５０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源に対して加工用強度、つまり、加工対象物ＯＢの表面を適切に加工できる強度（この例では、フォトレジストに反応跡を形成できる強度）のレーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、加工用レーザ駆動回路１５０は、フォトディテクタ１２６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源１０２に出力する電流及び電圧を調整する。これにより、加工対象物ＯＢに照射される加工用レーザ光の強度が設定加工用強度に維持される。
【００４２】
また、加工用レーザ駆動回路１５０は、発光信号供給回路１５１によりレーザ光源１０２への駆動信号の出力形態が制御される。発光信号供給回路１５１は、コントローラ９０から加工模様を表すデータを入力して、レーザ加工中に、そのデータに対応したパルス列信号又は連続信号を加工用レーザ駆動回路１５０に供給する。本実施形態では、加工対象物ＯＢの表面のフォトレジストに連続した螺旋状の反応跡を形成するものであるため、発光信号供給回路１５１からは連続信号が出力されるが、例えば、複数の微細ピットを列状に形成する場合には、ピットの長さ、ピットの形成間隔に応じた時間幅のハイレベル信号とローレベル信号からなるパルス列信号が出力される。
【００４３】
加工用ヘッド１０には、更に、ダイクロイックミラー１１６の反射方向にリレーレンズ（結像レンズ）１３０とフォトディテクタ１３２が設けられている。このリレーレンズ１３０及びフォトディテクタ１３２は、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を検出するために設けられたものである。したがって、先に、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０について説明する。
【００４４】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、図２に示すように、加工対象物ＯＢを挟んで加工用ヘッド１０と向き合うように、加工用ヘッド１０と対になってレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ２０４，偏光ビームスプリッタ２０６と、偏光ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８，フォトディテクタ２１０を備えている。
【００４５】
レーザ光源２０２は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ２０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ２０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ２０６をそのまま透過してサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射する。このサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したレーザ光が、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００４６】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の出射方向がＺ軸方向となり、しかも、その光軸が、加工用ヘッド１０のガルバノミラー１０８が原点位置にある時に加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。この場合、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と加工用ヘッド１０は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び加工用レーザ光の光軸がワーク駆動装置５０の回転軸（スピンドルモータ５２の回転軸）と直交するように、ワーク駆動装置５０に対する相対位置関係が定められている。
【００４７】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が加工用ヘッド１０の対物レンズ１１８に入射する。この場合、対物レンズ１１８に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の影が形成されたものとなる。この加工対象物ＯＢによってできた影を射影と呼び、射影とその周囲の光とを合わせて射影光と呼ぶ。
【００４８】
対物レンズ１１８に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、集光されてダイクロイックミラー１１６に入射する。ダイクロイックミラー１１６は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学素子であり、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光に対しては反射し、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光に対しては透過するように、各レーザ光の波長が設定されている。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１６で反射する。ダイクロイックミラー１１６の反射方向には、リレーレンズ１３０（結像レンズ）、フォトディテクタ１３２が設けられており、ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光がリレーレンズ１３０により平行光になりフォトディテクタ１３２の受光面に入射する。フォトディテクタ１３２の受光面には、加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００４９】
フォトディテクタ１３２は、図５に示すように、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。このフォトディテクタ１３２は、受光したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ａ，Ｂの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００５０】
フォトディテクタ１３２から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）を演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものである。
【００５１】
図６は、加工対象物ＯＢの位置をＹ軸方向に変化させたときのＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の波高値を表したものである。図示するように、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は、Ｓ字状波形となる。したがって、Ｓ字状波形の山（ｃ位置）から谷（ａ位置）までの範囲ｒ（Ｓ字検出範囲ｒと呼ぶ）においては、加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量とＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて加工対象物ＯＢのＹ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００５２】
例えば、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向にずれていない場合、（ｂ）に示すように、フォトディテクタ１３２に映し出される射影Ｓは、受光面の中央に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）はゼロとなる。一方、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における一方側（左側と呼ぶ）にずれている場合には、（ａ）に示すように、フォトディテクタ１３２に映し出される射影Ｓが受光面の左側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は負の値をとる。また、加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向における他方側（右側と呼ぶ）にずれている場合には、（ｃ）に示すように、フォトディテクタ１３２に映し出される射影Ｓが受光面の右側に位置するため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）は正の値をとる。
【００５３】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向のずれ量に応じたＹ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａを駆動する信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。これにより、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように制御される。尚、フォトディテクタ１３２に映し出される射影の位置は、ガルバノミラー１０８の回転によっては変化しない。
【００５４】
サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０は、レーザ光源２０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ２０６で反射させ、その反射光を集光レンズ２０８によりフォトディテクタ２１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ２１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ２１０は、レーザ光源２０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。
【００５５】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源２０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、加工用ヘッド１０のフォトディテクタ１１８で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ２１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流及び電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０から出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００５６】
次に、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０とについて説明する。図３に示すように、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０とＹ軸方向受光装置４０とは、互いに加工対象物ＯＢをＹ軸方向に挟んで向かい合うようにレーザ加工装置の本体フレーム（図示略）に固定される。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源３０２と、レーザ光源３０２から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ３０４，偏光ビームスプリッタ３０６と、偏光ビームスプリッタ３０６の反射方向に設けられる集光レンズ３０８及びフォトディテクタ３１０を備えている。
【００５７】
レーザ光源３０２は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源３０２から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ３０４により平行光となって偏光ビームスプリッタ３０６に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ３０６をそのまま透過してサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射する。このサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したレーザ光がサーボ用Ｙ軸方向レーザ光である。サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光となる。
【００５８】
サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の出射方向がＹ軸方向となり、しかも、その光軸が、ワーク駆動装置５０の回転軸と交差するように位置決めされている。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と向かい合うＹ軸方向受光装置４０には、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光するフォトディテクタ４０２が設けられる。フォトディテクタ４０２は、その受光面の中心にサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光軸が通るように位置決めされている。サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、フォトディテクタ４０２の受光面には加工対象物ＯＢの影である棒状の射影が映し出される。
【００５９】
フォトディテクタ４０２は、図７に示すように、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。このフォトディテクタ４０２は、受光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光（射影光Ｌ）における棒状の射影Ｓが受光領域Ｃ，Ｄの分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影Ｓが受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００６０】
フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）としてＺ軸方向サーボ回路１７２に出力する。Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）の大きさは、加工対象物ＯＢの位置をＺ軸方向に変化させると、上述したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の特性と同様にＳ字状に変化する（図６参照）。したがって、Ｓ字検出範囲ｒにおいては、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量（加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＺ軸方向におけるずれ量）とＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）の大きさとが一対一に対応する。このため、Ｓ字検出範囲ｒ内において、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出することができる。
【００６１】
Ｚ軸方向サーボ回路１７２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１から入力したＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点を移動させるため第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけＺ軸方向にずれた位置に対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点が位置するように、第１リレーレンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に維持される。尚、フォトディテクタ４０２に映し出される射影の位置は、第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動によっては変化しない。
【００６２】
加工用ヘッド１０は、第１リレーレンズ１１２が原点位置にあり、かつ、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように位置決めされている。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、その変動量だけ第１リレーレンズ１１２を原点位置からＺ軸方向に移動させることにより、常に、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面と一致させることができる。つまり、加工用レーザ光の焦点位置を、ワーク駆動装置５０の回転軸よりも加工対象物ＯＢの半径分だけ対物レンズ１１８側に維持させることができる。
【００６３】
サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０は、レーザ光源３０２から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ３０６で反射させ、その反射光を集光レンズ３０８によりフォトディテクタ３１０の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ３１０は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ３１０は、レーザ光源３０２が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０に供給される。
【００６４】
サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、レーザ光源３０２に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、Ｙ軸方向受光装置４０のフォトディテクタ４０２で射影光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。本実施形態においては、サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０は、フォトディテクタ３１０が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるようにレーザ光源３０２に出力する電流及び電圧を制御する。これにより、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００６５】
コントローラ９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータと、ハードディスクや不揮発性メモリなどの記憶装置と、入出力インタフェース等から構成される電子制御装置である。コントローラ９０には、作業者が各種パラメータや処理等を指示するための入力装置９１と、作業者に対して作動状況等を視覚的に知らせるための表示装置９２とが接続されている。
【００６６】
次に、レーザ加工を行う際の制御について説明する。図８は、コントローラ９０が実行するレーザ加工制御ルーチンを表すフローチャートである。レーザ加工制御ルーチンは、コントローラ９０のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されている。作業者は、加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０にセットした後、入力装置９１を使ってレーザ加工の開始指示操作を行う。これにより、本制御ルーチンが起動する。
【００６７】
本制御ルーチンがステップＳ１００にて起動すると、コントローラ９０は、ステップＳ１０２において、各種回路の作動を開始させる。続いて、ステップＳ１０４において、フィードモータ制御回路５７に対して加工開始位置への移動指令を出力する。この指令により、フィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工開始位置にまで移動させる。続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２が起動して加工対象物ＯＢの回転が始まる。このとき、スピンドルモータ制御回路５６は、エンコーダ５２ａにより検出されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数からスピンドルモータ５２の回転速度を計算し、計算した回転速度がコントローラ９０によって設定された回転速度に等しくなるようにスピンドルモータ５２の回転を制御する。
【００６８】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１０８において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射され、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からサーボ用Ｙ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。この処理は、本発明のＺ軸方向照射ステップとＹ軸方向照射ステップとを含んだサーボ用レーザ光照射ステップに相当する。また、このサーボ用レーザ光の照射により、フォトディテクタ１３２が受光信号（ａ，ｂ）を出力する処理が、本発明のＺ軸方向レーザ光検出ステップに相当し、フォトディテクタ４０２が受光信号（ｃ，ｄ）を出力する処理が、本発明のＹ軸方向レーザ光検出ステップに相当する。
【００６９】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１１０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２とＺ軸方向サーボ回路１７２とに対して、サーボ制御の開始指令を出力する。これにより、Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１からＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）を入力し、このＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路１６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路１６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａを回転駆動する信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。これにより、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。この処理は、本発明のＹ軸方向サーボステップに相当する。
【００７０】
同様に、Ｚ軸方向サーボ回路１７２は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１からＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）を入力し、このＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量分だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点を移動させるための第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点が移動するよう、第１リレーレンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に制御され、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面と常に一致するようになる。この処理は、本発明のＺ軸方向サーボステップに相当する。
【００７１】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１１２において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、加工用レーザ光の照射開始指令を出力する。この場合、コントローラ９０は、加工用レーザ光の強度を、加工対象物ＯＢが変化しない低レベルに設定した照射開始指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電流及び電圧の強度を低いレベルに設定してレーザ光源１０２を駆動する。したがって、加工用ヘッド１０からは、非加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。加工対象物ＯＢは、この非加工強度のレーザ光に対してはレーザ加工されない。
【００７２】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１１４において、加工用ヘッド１０に設けられたフォトディテクタ１２２の出力する受光信号を増幅回路１５２及びＡ／Ｄ変換器１５３を介して取り込んで加工用レーザ光の反射光強度Ｒを検出する。次に、ステップＳ１１６において、反射光強度Ｒが下限値Ｒrefを上回っているか否かを判断する。反射光強度Ｒが下限値Ｒrefを上回っていれば、上述したＺ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判断して、その処理をステップＳ１１８に進める。一方、反射光強度Ｒが下限値Ｒref以下であれば、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていないと判断して、ステップＳ１３８において、表示装置９２にその旨を表示し、その処理をステップＳ１３０に進める。このステップＳ１１６，Ｓ１３８の処理が、本発明の焦点位置不適正判定ステップに相当する。
【００７３】
コントローラ９０は、ステップＳ１１６において「Ｙｅｓ」、つまり、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御とが正常に行われていると判断した場合には、ステップＳ１１８において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して、レーザ光源１０２から出射されているレーザ光の強度を非加工強度から加工強度に変更する指令を出力する。これにより、加工用レーザ駆動回路１５０は、レーザ光源１０２に供給する電流及び電圧の強度を加工用レベルに切り換えてレーザ光源１０２を駆動する。したがって、加工用ヘッド１０からは、加工強度のレーザ光が加工対象物ＯＢに向けて出射されることになる。
【００７４】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１２０において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１のＸ軸方向への移動開始指令を出力する。フィードモータ制御回路５７は、エンコーダ５５ａから出力されるパルス列信号の単位時間当たりのパルス数から移動ステージ５１の移動速度を計算し、計算した移動速度が設定速度になるようにフィードモータ５５を駆動制御する。
【００７５】
これにより、加工対象物ＯＢは、その中心軸回りに回転するとともにＸ軸方向に移動し、その表面に加工用レーザ光が照射される。したがって、加工対象物ＯＢには、螺旋状に加工用レーザ光が照射され、その照射軌跡に沿ってフォトレジストに反応跡が形成される。また、同時に、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつ、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように、第１リレーレンズ１１２の位置とガルバノミラー１０８の角度が制御される。したがって、加工対象物ＯＢの表面には、適正に集光された加工用レーザ光が垂直に照射され、適正幅の螺旋状の反応跡がフォトレジストに形成される。
【００７６】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１２２において、移動位置検出回路５８により検出される移動ステージ５１の移動位置を取り込み、ステップＳ１２４において、現時点の移動位置が加工終了位置に到達したか否かを判断する。ステップＳ１２２，Ｓ１２４の処理は、移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に到達するまで繰り返される。したがって、この間は、上述したように、加工対象物ＯＢのレーザ加工、及び、サーボ制御が継続される。
【００７７】
移動ステージ５１の移動位置が加工終了位置に達すると（Ｓ１２４：Ｙｅｓ）、コントローラ９０は、ステップＳ１２６において、加工用レーザ駆動回路１５０に対して加工用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、加工用レーザ光の照射が停止される。次に、ステップＳ１２８において、フィードモータ制御回路５７に対して移動ステージ５１の移動停止指令を出力する。これによりフィードモータ５５への通電が停止され移動ステージ５１が停止する。続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１３０において、Ｙ軸方向サーボ回路１６２とＺ軸方向サーボ回路１７２とに対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、モータ１０８ａ及びフォーカスアクチュエータ１１２ａの作動が停止する。次に、ステップＳ１３２において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射、及びサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０からのサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の照射が停止する。
【００７８】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ１３４において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転停止指令を出力する。これにより、スピンドルモータ５２への通電が停止され、加工対象物ＯＢの回転が停止する。次に、ステップＳ１３６において、フィードモータ制御回路５７に対して加工対象物ＯＢの取り外し位置への移動指令を出力する。これによりフィードモータ制御回路５７は、移動位置検出回路５８により検出される移動位置を取り込みながらフィードモータ５５を駆動して移動ステージ５１を加工対象物ＯＢの取り外し位置にまで移動させる。作業者は、この位置で加工対象物ＯＢをワーク駆動装置５０から取り外す。こうして、移動ステージ５１が所定の取り外し位置にまで移動すると、ステップＳ１４０により本レーザ加工制御ルーチンが終了する。
【００７９】
以上説明した第１実施形態のレーザ加工装置によれば、加工対象物ＯＢに対して、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを加工対象物ＯＢに照射し、その射影の位置に基づいて、加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差し、かつ、焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように、ガルバノミラー１０８の回転角度が制御され、第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向の位置が制御される。したがって、本実施形態のように５０μｍという非常に細いパイプ状の加工対象物ＯＢの表面をレーザ加工する場合でも、適正に集光した加工用レーザ光を加工対象物ＯＢの表面に垂直に照射することができる。これにより、加工対象物ＯＢの表面を螺旋状に加工することができる。例えば、適正幅の螺旋状の反応跡をフォトレジストに形成することができる。また、対物レンズ１１８を駆動しないので、対物レンズ１１８が重くてもよい。したがって、対物レンズ１１８を光の透過率の高い材質で形成した複数のレンズで構成することができ、対物レンズ１１８における収差の発生を抑制することができる。よって、上記のように構成した対物レンズ１１８により紫外線レーザを集光し、加工対象物ＯＢに照射して、加工対象物ＯＢをアブレーション加工することができる。
【００８０】
また、加工用レーザ光の反射光強度Ｒと下限値Ｒrefとの比較に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御とＹ軸方向サーボ制御の異常発生の有無を判定し、異常が検出されたときには、加工用レーザ光の焦点位置が適正となっていないためレーザ加工を中止する。これにより、レーザ加工の失敗を防止することができる。
【００８１】
また、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及びサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を出射するにあたり、フォトディテクタ２１０，３１０で検出した光の強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２，３０２の出力を制御するため、Ｚ軸方向及びＹ軸方向のサーボ制御を精度良く行うことができる。
【００８２】
次に、第２実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。図９は、第２実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１２の概略構成を表す。第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のレーザ加工装置の加工用ヘッド１０とサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０に代えて、加工用ヘッド１２を設けたもので、他の構成については第１実施形態と同一である。この加工用ヘッド１２は、加工用レーザ光を照射／受光する構成に加えて、サーボ用Ｚ軸レーザ光を照射／受光する構成を備えている。以下、第１実施形態と同様な構成については、図面に第１実施形態と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【００８３】
加工用ヘッド１２は、第１実施形態の加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成としてレーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、１／４波長板１１０、第１リレーレンズ１１２、第２リレーレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１６及び対物レンズ１１８を備える。ただし、第１実施形態と異なり、ダイクロイックミラー１１６は、偏光ビームスプリッタ１０６とガルバノミラー１０８の間に設けられている。また、加工用ヘッド１２は、加工用ヘッド１０と同様に、加工用レーザ光の反射光強度を検出する構成として集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４を備え、レーザ光源１０２から出射する加工用レーザ光の強度を検出する構成として集光レンズ１２６，フォトディテクタ１２８を備える。また、加工用ヘッド１２は、加工用ヘッド１０と同様に、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に駆動する構成としてアクチュエータ１１２ａを備え、ガルバノミラー１０８を正転・逆転駆動する構成としてモータ１０８ａを備える。なお、図９においても、図２と同様に、部品が重ならないように、レーザ光源１０２、コリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、集光レンズ１２２、フォトディテクタ１２４、集光レンズ１２６及びフォトディテクタ１２８については、Ｘ軸方向から見た状態を記載している。後述するダイクロイックミラー１１６も同様にＸ軸方向から見た状態を記載している。つぎに説明する、レーザ光源１３４、コリメートレンズ１３６、偏光ビームスプリッタ１３８、１／４波長板１４０、フォトディテクタ１４２、集光レンズ１４４及びフォトディテクタ１４６についても、Ｘ軸方向から見た状態を記載している。
【００８４】
さらに、加工用ヘッド１２は、サーボ用レーザ光を照射するレーザ光源１３４と、レーザ光源１３４から出射されるサーボ用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１３６、偏光ビームスプリッタ１３８及び１／４波長板１４０を備えている。レーザ光源１３４は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。レーザ光源１３４から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ１３６により平行光となって偏光ビームスプリッタ１３８に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ１３８をそのまま透過し、１／４波長板１４０を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板１４０を通過したサーボ用レーザ光は、加工用レーザ光の光路途中に設けられたダイクロイックミラー１１６に入射し、そこで反射する。したがって、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光とが合成されて対物レンズ１１８に入射する。この場合、ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用レーザ光の光軸と、ダイクロイックミラー１１６を透過した加工用レーザ光の光軸とが一致するように、サーボ用レーザ光と加工用レーザ光の光路が設定されている。
【００８５】
サーボ用レーザ光は、加工用レーザ光と同様に、対物レンズ１１８により加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径に集光されて加工対象物ＯＢの表面にスポット状に照射される。この加工対象物ＯＢの照射されるサーボ用レーザ光がサーボ用Ｚ軸方向レーザ光である。加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの表面で反射して対物レンズ１１８に入射し平行光に戻される。この場合、加工用レーザ光は、そのままダイクロイックミラー１１６を透過するが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、ダイクロイックミラー１１６で反射する。したがって、ダイクロイックミラー１１６で加工用レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが分離される。
【００８６】
ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１４０を通過する。サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、１／４波長板１４０を２回通過したことになるため、加工対象物ＯＢにて反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光は、レーザ光源１３０から出射されたレーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなる。したがって、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１３８で反射する。
【００８７】
偏光ビームスプリッタ１３８の反射方向には、フォトディテクタ１４２が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、フォトディテクタ１４２に入射する。このフォトディテクタ１４２は、第１実施形態のフォトディテクタ１３２と同様に、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された２つの受光素子を備え、その受光領域Ａ，Ｂに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ）として出力する。また、フォトディテクタ１４２は、第１リレーレンズ１１２が原点位置にあり、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに、図１０（ｂ）に示すように、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００８８】
フォトディテクタ１４２から出力される受光信号（ａ，ｂ）は、第１実施形態と同様にＹ軸方向エラー信号生成回路１６１に入力される。Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６１は、受光信号（ａ，ｂ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ａ−ｂ）演算し、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）としてＹ軸方向サーボ回路１６２に出力する。加工対象物ＯＢの位置がＹ軸方向に変動すると、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、その変動位置に応じて加工対象物ＯＢに照射されるサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の位置が変化し、これに伴って、フォトディテクタ１４２に受光される反射光ＲＬの位置が変化する。このため、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【００８９】
Ｙ軸方向サーボ回路１６２は、Ｙ軸方向エラー信号生成回路１６３から入力したＹ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいて、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）が常にゼロとなるようなＹ軸方向サーボ信号を生成し、Ｙ軸方向ドライブ回路１６３が、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａに駆動信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。この実施形態においては、Ｙ軸方向サーボ制御は、クローズドループ制御である。したがって、フォトディテクタ１４２に受光されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の反射光が、受光面の中央に維持されるようにガルバノミラー１０８の回転角度が制御されることとなる。このため、加工用レーザ光及びサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するように維持される。
【００９０】
加工用ヘッド１２は、更に、レーザ光源１３４から出射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ１３８で反射させ、その反射光を集光レンズ１４４によりフォトディテクタ１４６の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ１４６は、第１実施形態のフォトディテクタ２１０と同様に、レーザ光源１３４が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に供給される。サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０は、フォトディテクタ１４６が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した強度となるようにレーザ光源１３４の出力を調整する。これにより、加工用ヘッド１２から加工対象物ＯＢに向けて出射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の強度が一定の適正値に維持される。
【００９１】
また、第２実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。
【００９２】
以上説明した第２実施形態のレーザ加工装置においては、加工用ヘッド１２によりサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を集光して加工対象物ＯＢに照射し、その反射光の位置に基づいて加工用レーザ光の光軸の位置が加工対象物ＯＢの中心軸と交差するようにガルバノミラー１０８の回転角度を制御するとともに、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０により加工対象物ＯＢの直径より大きな直径のサーボ用レーザ光（平行光）を加工対象物ＯＢに照射して、その射影光をＹ軸方向受光装置４０にて受光し、射影の位置に基づいて加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面位置と一致するように第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向の位置を制御する。したがって、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、クローズドループ制御を行うためＹ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【００９３】
次に、第３実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。この第３実施形態のレーザ加工装置は、Ｚ軸方向のサーボ制御をクローズドループ制御で実施できるようにしたもので、第１実施形態のレーザ加工装置とは、Ｙ軸方向受光装置、Ｚ軸方向のサーボ系回路が相違し、他の構成については第１実施形態と同一である。
【００９４】
図１１に示すように、第３実施形態のレーザ加工装置におけるＹ軸方向受光装置４３は、第１実施形態におけるＹ軸方向受光装置４０のフォトディテクタ４０２の入射部に第３リレーレンズ４０４、第４リレーレンズ４０６を設け、更に、第３リレーレンズ４０４をＺ軸方向に駆動するリレーレンズアクチュエータ４０８を設けたものである。第３リレーレンズ４０４は、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光（加工対象物ＯＢの射影光）を集光し、第４リレーレンズ４０６は、第３リレーレンズ４０４で集光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を平行光に戻す。フォトディテクタ４０２は、第４リレーレンズ４０６を通過したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を受光する。第３リレーレンズ４０４は、その位置がリレーレンズアクチュエータ４０８によりＺ軸方向に移動可能となっている。第３リレーレンズ４０４は、リレーレンズアクチュエータ４０８が通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心に位置する（この位置を原点位置と呼ぶ）。フォトディテクタ４０２は、第３リレーレンズ４０４が原点位置にあるとき、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光軸が受光面の中心を通るように位置決めされている。
【００９５】
フォトディテクタ４０２の受光面には、加工対象物ＯＢの棒状の射影が映し出されるが、リレーレンズアクチュエータ４０８により第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動された場合には、その移動に伴って射影の位置もＺ軸方向に移動する。
【００９６】
フォトディテクタ４０２は、上述したように、受光領域が上下に（Ｚ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。また、フォトディテクタ４０２は、受光したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光における棒状の射影が受光領域の分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、第３リレーレンズ４０４が原点位置にありＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【００９７】
第３実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態のＺ軸方向サーボ回路１７２，Ｚ軸方向ドライブ回路１７３に代えて、Ｚ軸方向サーボ回路１８２，Ｚ軸方向ドライブ回路１８３を備えている。尚、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１については、第１実施形態と同一である。フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１７１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）としてＺ軸方向サーボ回路１８２に出力する。Ｚ軸方向サーボ回路１８２は、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）を入力し、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路１８３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてリレーレンズアクチュエータ４０８を駆動する信号を出力して第３リレーレンズ４０４をＺ軸方向に移動させるとともに、加工用ヘッド１０のフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。この場合、第３リレーレンズ４０４の移動量と第１リレーレンズ１１２の移動による対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点の移動量とが同一となるように、それぞれの駆動信号は設定されている。
【００９８】
第１実施形態においては、第１リレーレンズ１１２のみをＺ軸方向に移動させる構成であったため、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影は移動しないが、第３実施形態においては、第３リレーレンズ４０４もＺ軸方向サーボ信号によりＺ軸方向に移動するため、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影がＺ軸方向に移動する。したがって、この第３実施形態におけるＺ軸方向サーボ制御では、フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影が、常に、受光面の中央、つまり、受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置となるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これに合わせて第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動されることになる。したがって、Ｚ軸方向サーボ制御においてクローズドループ制御を行うため、Ｚ軸方向サーボ制御が高精度となる。また、加工対象物ＯＢがＺ軸方向に大きく変動しても、それに合わせてリレーレンズアクチュエータ４０８が、フォトディテクタ４０２に映し出される射影の位置が受光面の中央側にくるように第３リレーレンズ４０４を移動させるため、加工対象物ＯＢのＺ軸方向の検出エリアが広くなる。
【００９９】
また、第３実施形態のレーザ加工装置は、第１実施形態と同様のレーザ加工制御ルーチンを実行する。この場合、ステップＳ１１０においては、Ｙ軸方向エラー信号（ａ−ｂ）に基づいてモータ１０８ａを駆動する。また、Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号に基づいてリレーレンズアクチュエータ４０８を駆動し、加工用レーザ光の焦点の移動量が第３リレーレンズ４０４の移動量と等しくなるようにフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する。
【０１００】
以上説明した第３実施形態のレーザ加工装置によれば、第１実施形態の効果に加えて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ検出範囲が広くなるため、Ｚ軸方向のサーボ制御可能範囲を広くすることができる。また、クローズドループ制御を行うためＺ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【０１０１】
次に、第４実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。第３実施形態においては、１つのサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射し、その加工対象物ＯＢの射影の位置に基づいて、Ｚ軸方向サーボ制御を行ったが、この第４実施形態においては、さらに別のサーボ用Ｙ軸方向レーザ光を加工対象物ＯＢに照射してその反射光の位置を検出することにより、射影と反射光との両方の位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うものである。第４実施形態のレーザ加工装置は、図１２に示すように、第３実施形態のレーザ加工装置におけるＹ軸方向受光装置４３に代えて、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４を備えている。
【０１０２】
尚、第４実施形態のレーザ加工装置は、以下に説明する構成以外については第３実施形態のレーザ加工装置と同一であるが、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４と区別するために、このサーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０を第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０と呼ぶ。また、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射されるサーボ用レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光と呼び、レーザ光源３０２を第１レーザ光源３０２と呼び、第１レーザ光源３０２を駆動するサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０と呼ぶ。
【０１０３】
まず、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４における、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢの射影を検出する構成から説明する。図１２に示すように、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、第３実施形態のＹ軸方向受光装置４３と同様に、第３リレーレンズ４０４、第４リレーレンズ４０６、フォトディテクタ４０２、リレーレンズアクチュエータ４０８を備えるが、更に、第３リレーレンズ４０４と第４リレーレンズ４０６と間にダイクロイックミラー４１８を介装している。第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、その波長がダイクロイックミラー４１８で反射するように設定されている。したがって、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の進む光路は、ダイクロイックミラー４１８で９０度曲がった構成となっている。
【０１０４】
第３リレーレンズ４０４に入射する第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの射影光となる。射影光は、第３リレーレンズ４０４を通過して集光されダイクロイックミラー４１８で反射する。そして、第４リレーレンズ４０６で平行光に戻されてフォトディテクタ４０２の受光面に入射する。これにより、フォトディテクタ４０２の受光面には、加工対象物ＯＢの棒状の射影が映し出される。以下、フォトディテクタ４０２を第１フォトディテクタ４０２と呼ぶ。
【０１０５】
第１フォトディテクタ４０２は、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｃ，ｄ）として出力する。この第１フォトディテクタ４０２は、受光した第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光における棒状の射影が受光領域の分割線ＤＩＶと平行になるように、かつ、第３リレーレンズ４０４が原点位置にありＹ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢの射影が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１０６】
第３リレーレンズ４０４は、その位置がリレーレンズアクチュエータ４０８によりＺ軸方向に移動可能となっている。第３リレーレンズ４０４は、リレーレンズアクチュエータ４０８が通電されていないときに、Ｚ軸方向の可動範囲の中心、つまり、原点に位置する。
【０１０７】
第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、更に、加工対象物ＯＢに対して第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とは反対方向から第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射し、その反射光を検出する構成として、第２レーザ光源４１０、コリメートレンズ４１２、偏光ビームスプリッタ４１４、１／４波長板４１６、第２フォトディテクタ４２０を備えている。第２レーザ光源４１０は、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光は、コリメートレンズ４１２により平行光となって偏光ビームスプリッタ４１４に入射する。サーボ用レーザ光は、その大半（例えば、９５％）が偏光ビームスプリッタ４１４をそのまま透過し、１／４波長板４１６を通過して直線偏光から円偏光に変換される。１／４波長板４１６を通過したサーボ用レーザ光は、ダイクロイックミラー４１８を透過し、第３リレーレンズ４０４に入射する。第３リレーレンズ４０４は、対物レンズとして働くためサーボ用レーザ光を集光する。こうして加工対象物ＯＢの直径よりも小さな径に集光されたレーザスポットが加工対象物ＯＢの表面に照射される。
【０１０８】
加工対象物ＯＢに照射されたサーボ用レーザ光（第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光）は、加工対象物ＯＢの表面で反射して第３リレーレンズ４０４に入射し平行光に戻されて、ダイクロイックミラー４１８をそのまま通過し、さらに、１／４波長板４１６を通過する。この場合、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光とは偏光方向が９０°相違したものとなるため、偏光ビームスプリッタ４１４で反射する。偏光ビームスプリッタ４１４の反射方向には、第２フォトディテクタ４２０が設けられている。したがって、加工対象物ＯＢの表面で反射した第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第２フォトディテクタ４２０に入射する。この第２フォトディテクタ４２０は、受光領域が左右に（Ｙ軸方向に）２分割された受光素子を備え、その受光領域Ｅ，Ｆに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ｅ，ｆ）として出力する。この第２フォトディテクタ４２０は、第３リレーレンズ４０４が原点位置にあり、かつ、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに加工対象物ＯＢで反射した反射光が受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置に配置される。
【０１０９】
また、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４は、第２レーザ光源４１０から出射されたサーボ用レーザ光の一部（例えば、５％）を偏光ビームスプリッタ４１４で反射させ、その反射光を集光レンズ４２２によりフォトディテクタ４２４の受光面に集光させる構成を備えている。フォトディテクタ４２４は、受光面に集光された光の強度に応じた受光信号を出力する受光素子である。したがって、フォトディテクタ４２４は、第２レーザ光源４１０が出射したサーボ用レーザ光の強度に対応した受光信号を出力する。この受光信号は、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０に供給される。
【０１１０】
第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０は、コントローラ９０からの指令に基づいて、第２レーザ光源４１０に対して、加工対象物ＯＢの表面を変化させず、かつ、第２フォトディテクタ４２０で加工対象物ＯＢからの反射光を検出できる強度のサーボ用レーザ光を出射するための電流及び電圧を供給する回路である。第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０は、フォトディテクタ４２４が出力する受光信号をフィードバックして、受光信号の強度が予め設定した設定強度となるように第２レーザ光源４１０に出力する電流及び電圧を調整する。これにより、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光の強度が一定に維持される。
【０１１１】
第４実施形態のレーザ加工装置は、第３実施形態のＺ軸方向エラー信号生成回路１７１，Ｚ軸方向サーボ回路１８２に代えて、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１，Ｚ軸方向サーボ回路１９２を備えている。尚、Ｚ軸方向ドライブ回路１８３に関しては、第３実施形態と同一である。
【０１１２】
第１フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）、及び、第２フォトディテクタ４２０から出力される受光信号（ｅ，ｆ）は、Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１に入力される。Ｚ軸方向エラー信号生成回路１９１は、第１生成部１９１１と第２生成部１９１２とからなり、第１フォトディテクタ４０２から出力される受光信号（ｃ，ｄ）が第１生成部１９１１に入力され、第２フォトディテクタ４２０から出力される受光信号（ｅ，ｆ）が第２生成部１９１２に入力される。第１生成部１９１１は、受光信号（ｃ，ｄ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｃ−ｄ）を演算し、その演算結果を第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）として出力する。第２生成部１９１２は、受光信号（ｅ，ｆ）を増幅した後、この信号を使って光強度の差（ｅ−ｆ）を演算し、その演算結果を第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）として出力する。
【０１１３】
第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）及び第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−f）は、Ｚ軸方向サーボ回路１９２に入力される。Ｚ軸方向サーボ回路１９２は、第１サーボ部１９２１と第２サーボ部１９２２とからなり、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が第１サーボ部１９２１に入力され、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−f）が第２サーボ部１９２２に入力される。
【０１１４】
第１サーボ部１９２１は、コントローラ９０から出力されるサーボ開始指令により作動を開始し、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）に基づいて、第１Ｚ軸方向エラー信号（ｃ−ｄ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。したがって、第１フォトディテクタ４０２に映し出される加工対象物ＯＢの射影が、受光面の中央、つまり、受光領域の分割線ＤＩＶにより２等分される位置となるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動される。また、第１サーボ部１９２１は、コントローラ９０からのサーボ切替指令に基づいて作動を停止する。
【０１１５】
第２サーボ部１９２２は、コントローラ９０から出力されるサーボ切替指令により、第１サーボ部１９２１に代わって作動を開始し、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）に基づいて、第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）が常にゼロとなるようなＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路１８３に出力する。したがって、第２フォトディテクタ４２０に受光された第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の反射光が受光領域の中央に維持されるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、これと同じ駆動量で第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動される。
【０１１６】
次に、第４実施形態におけるコントローラ９０の実行するレーザ加工制御ルーチンについて説明する。第４実施形態のレーザ加工制御ルーチンは、第１実施形態のものとステップＳ１０８〜Ｓ１１０の処理、及びステップＳ１３０〜Ｓ１３２の処理が相違する。図１３は、第１実施形態におけるステップＳ１０８〜Ｓ１１０及びステップＳ１３０〜Ｓ１３２の処理に代えて行う第４実施形態の処理を表す部分フローチャートである。
【０１１７】
コントローラ９０は、ステップＳ１０６において、スピンドルモータ制御回路５６に対して回転開始指令を出力すると、続いて、ステップＳ２０１において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０と第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０とに対して、それぞれのサーボ用レーザ光の照射開始指令を出力する。したがって、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からサーボ用Ｚ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＺ軸方向に照射され、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光が加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。この第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射する処理は、本発明の第１Ｙ軸方向照射ステップに相当する。また、第１サーボ用Ｙ軸レーザ光の照射により、第１フォトディテクタ４０２が受光信号（ｃ，ｄ）を出力する処理が、本発明の第１Ｙ軸方向レーザ光検出ステップに相当する。
【０１１８】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ２０２において、Ｚ軸方向サーボ回路１９２とＹ軸方向サーボ回路１６２に対して、サーボ開始指令を出力する。これにより、各サーボ回路は、上述したＺ軸方向サーボ及びＹ軸方向サーボ制御を開始する。この場合、Ｚ軸方向サーボ回路１９２では、第１サーボ部１９２１のみが作動してＺ軸方向サーボ信号を生成する。この場合の第１生成部１９１１、第１サーボ部１９２１及びＺ軸方向ドライブ回路１８３の処理が、本発明の第１Ｚ軸方向サーボステップに相当する。
【０１１９】
続いて、コントローラ９０は、ステップＳ２０３において、サーボ開始指令の出力から所定時間経過するまで待機する。この間、上述したサーボ制御が継続される。この場合、Ｚ軸方向サーボにおいては、第１サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０から出射された第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢの射影が、第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４の第１フォトディテクタ４０２の受光面の中央位置にくるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、加工用レーザ光の焦点の移動量が第３リレーレンズ４０４の移動量と同じになるように第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動されるため、Ｚ軸方向のサーボ制御可能範囲が広い。したがって、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転中心軸に対してＺ軸方向に大きくずれていても、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面にまで移動させることができる。
【０１２０】
サーボ開始指令の出力から所定時間経過すると（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、コントローラ９０は、ステップＳ２０４において、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０及びＺ軸方向サーボ回路１９２に対してサーボ切替指令を出力する。これにより、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０による第１レーザ光源３０２の駆動が停止され、代わりに、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路４４０による第２レーザ光源４１０の駆動が開始される。したがって、加工対象物ＯＢには、第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光に代わって第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光が照射される。この第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４から第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を照射する処理は、本発明の第２Ｙ軸方向照射ステップに相当する。また、第２サーボ用Ｙ軸レーザ光の照射により、第２フォトディテクタ４２０が受光信号（ｅ，ｆ）を出力する処理が、本発明の第２Ｙ軸方向レーザ光検出ステップに相当する。
【０１２１】
また、同時に、Ｚ軸方向サーボ回路１９２においては、第１サーボ部１９２１に代わって第２サーボ部１９２２が作動を開始する。これにより、Ｚ軸方向のサーボ制御態様が切り替わり、第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の加工対象物ＯＢからの反射光が第２フォトディテクタ４２０の受光面の中央位置にくるように第３リレーレンズ４０４がＺ軸方向に駆動され、加工用レーザ光の焦点の移動量が第３リレーレンズ４０４の移動量と同じになるように第１リレーレンズ１１２がＺ軸方向に駆動される。この場合、反射光位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うため、加工対象物ＯＢのＺ軸方向の変位に対して第２サーボ部１９２２の出力する第２Ｚ軸方向エラー信号（ｅ−ｆ）の変化が大きくなり、高精度にＺ軸方向サーボ制御を行うことができる。この場合の第２生成部１９１２，第１サーボ部１９２２，Ｚ軸方向ドライブ回路１８３の処理が、本発明の第２Ｚ軸方向サーボステップに相当する。コントローラ９０は、ステップＳ２０４においてＺ軸方向のサーボ制御態様を切り換えると、上述したステップＳ１１２からの処理を実行する。
【０１２２】
コントローラ９０は、第１実施形態のステップＳ１３０，Ｓ１３２の処理に代えて、ステップＳ２０５，Ｓ２０６の処理を実行する。コントローラ９０は、ステップＳ２０５において、Ｚ軸方向サーボ回路１９２とＹ軸方向サーボ回路１６２に対して、サーボ制御の停止指令を出力する。これにより、フォーカスアクチュエータ１１２ａ、モータ１０８ａ及びリレーレンズアクチュエータ４０８の作動が停止する。続いて、ステップＳ２０６において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０及び第２サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路４４０に対して、サーボ用レーザ光の照射停止指令を出力する。これにより、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０からのサーボ用Ｚ軸方向レーザ光の照射、及び第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド４４からの第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の照射が停止される。
【０１２３】
以上説明した第４実施形態のレーザ加工装置によれば、最初に加工対象物ＯＢの射影の検出位置に基づいてＺ軸方向のフォーカスサーボ制御を開始し（サーボ制御の引き込みを行い）、その後、加工対象物ＯＢの反射光の検出位置に基づいてＺ軸方向サーボ制御を行うようにしているため、Ｚ軸方向サーボ制御の引き込みを確実に行え、Ｚ軸方向サーボ制御を高精度に行うことができる。
【０１２４】
次に、第５実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。上述した第１〜第４実施形態のレーザ加工装置においては、サーボ用レーザ光の照射源としてＺ軸方向とＹ軸方向とで別々のレーザ光源を備え、また、それらサーボ用レーザ光を検出する別々のフォトディテクタを備えた構成であったが、第５実施形態においては、Ｚ軸方向とＹ軸方向とでレーザ光源とフォトディテクタとを共通化した構成を採用している。
【０１２５】
図１４は、第５実施形態のレーザ加工装置における加工用ヘッド１５の概略構成を表す。この加工用ヘッド１５は、第１実施形態における加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０及びＹ軸方向受光装置４０に代えて設けられるもので、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する機能と、加工対象物ＯＢにサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを照射する機能と、加工対象物ＯＢに照射されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光との両方の射影光を検出する機能を有する。図中において、第１実施形態と同じものについては、第１実施形態で使用した符号と同一の符号を付して簡単な説明に留める。
【０１２６】
加工用ヘッド１５は、その中央に加工対象物ＯＢが挿通される領域Ｈ（空間）が設けられており、その領域Ｈに加工用レーザ光及びサーボ用レーザ光を出射するように構成されている。加工用ヘッド１５は、加工対象物ＯＢの表面に加工用レーザ光を照射する構成として、加工用レーザ駆動回路１５０により駆動されるレーザ光源１０２と、レーザ光源１０２から出射される加工用レーザ光の光軸に沿って設けられるコリメートレンズ１０４、偏光ビームスプリッタ１０６、ガルバノミラー１０８、１／４波長板１１０、第１リレーレンズ１１２、第２リレーレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１６及び対物レンズ１１８と、第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向の位置を調整するフォーカスアクチュエータ１１２ａと、ガルバノミラー１０８の回転角度を調整するモータ１０８ａを備えている。また、加工用レーザ光が加工対象物ＯＢで反射した反射光の強度を検出するための構成として、集光レンズ１２２とフォトディテクタ１２４とを備えている。また、加工用レーザ光の強度を検出するための構成として、集光レンズ１２６とフォトディテクタ１２８とを備えている。これらの構成は、第１実施形態と同一である。したがって、加工用レーザ光の進む経路や、フォトディテクタ１２４，１２８の出力に基づく制御についても第１実施形態と同一である。
【０１２７】
加工用ヘッド１５は、第１リレーレンズ１１２が原点位置にあり、かつ、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致している場合に、加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの表面に一致するように位置決めされている。
【０１２８】
つぎに、サーボ用レーザ光を加工対象物ＯＢに照射する構成について説明する。加工用ヘッド１５は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０と同様な、サーボ用レーザ光を出射するレーザ光源２０２と、レーザ光源２０２から出射されるサーボ用レーザ光を平行光にするコリメートレンズ２０４と、平行光の大半（例えば９５％）を透過し残りを反射する偏光ビームスプリッタ２０６と、偏光ビームスプリッタ２０６の反射方向に設けられる集光レンズ２０８と、集光レンズ２０８により集光されたサーボ用レーザ光の強度を検出するフォトディテクタ２１０を備えている。レーザ光源２０２は、サーボ用レーザ駆動回路５４０から供給される電流及び電圧により駆動されてサーボ用レーザ光を出射する。このサーボ用レーザ駆動回路５４０は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０に相当するもので、フォトディテクタ２１０により検出したサーボ用レーザ光の光強度が設定強度となるようにレーザ光源２０２に出力する電流及び電圧を調整する。
【０１２９】
サーボ用レーザ光が偏光ビームスプリッタ２０６を透過する方向には、ビームスプリッタ２１２が設けられる。ビームスプリッタ２１２は、入射したサーボ用レーザ光の半分を透過し残り半分を反射する。したがって、サーボ用レーザ光は、光強度が同程度となる２つのサーボ用レーザ光に分けられる。ビームスプリッタ２１２を透過したサーボ用レーザ光は、加工対象物ＯＢに対して加工用レーザ光とは反対方向からＺ軸方向に照射される。以下、ビームスプリッタ２１２を透過したサーボ用レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と呼ぶ。このサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、第１実施形態のサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と同様に、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であり、その光軸が、加工用ヘッド１５のガルバノミラー１０８が原点位置にあるときに加工用レーザ光の光軸と一致するように位置決めされている。
【０１３０】
サーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光が対物レンズ１１８に入射する。この場合、対物レンズ１１８に入射するサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、受光すると中央に加工対象物ＯＢの棒状の射影が形成された射影光となる。対物レンズ１１８に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、集光されてダイクロイックミラー１１６に入射して反射する。ダイクロイックミラー１１６の反射方向には、リレーレンズ１３０（結像レンズ）、偏光ビームスプリッタ２２８及びフォトディテクタ２３０が設けられている。偏光ビームスプリッタ２２８は、透過方向がレーザ光源２０２を出射したレーザ光の偏光方向に設定されている。したがって、ダイクロイックミラー１１６で反射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光は、リレーレンズ１３０を通過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ２２８を透過してフォトディテクタ２３０の受光面に入射する。こうしてフォトディテクタ２３０の受光面には、加工対象物ＯＢの影であるＸ軸方向に延びた棒状の射影が映し出される。
【０１３１】
フォトディテクタ２３０は、図１５に示すように、受光領域が十字状に４分割された４つの同一正方形状の受光素子を備え、時計回りに配置された受光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入射した光の強度に比例した検出信号を受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）として出力する。このフォトディテクタ２３０は、十字状の分割線ＤＩＶがＺ軸方向とＸ軸方向とに向くように配置されている。以下、分割線ＤＩＶのうち、Ｘ軸方向に向いた分割線をＸ軸方向分割線ＤＩＶＸと呼び、Ｚ軸方向に向いた分割線をＺ軸方向分割線ＤＩＶＺと呼ぶ。
【０１３２】
また、ビームスプリッタ２１２で反射したサーボ用レーザ光は、第１反射ミラー２１４と第２反射ミラー２１６とで反射して加工対象物ＯＢに対してＹ軸方向に照射される。以下、ビームスプリッタ２１２で反射したサーボ用レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と呼ぶ。このサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第１実施形態のサーボ用Ｙ軸方向レーザ光と同様に、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であり、その光軸がワーク駆動装置５０の回転軸と交差するように光路が位置決めされている。
【０１３３】
加工対象物ＯＢを挟んで第２反射ミラー２１６と向かい合う位置に第３反射ミラー２１８が設けられる。第２反射ミラー２１６で反射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの直径よりも大きな直径の平行光であるため、加工対象物ＯＢに遮られなかったレーザ光（射影光）が第３反射ミラー２１８に入射する。サーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第３反射ミラー２１８で反射し、更に、第４反射ミラー２２０で反射する。第４反射ミラー２２０の反射方向には、像回転プリズム（ダブプリズム）２２２及び第５反射ミラー２２４が設けられる。第４反射ミラー２２０で反射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、像回転プリズム２２２で像が９０度回転する。したがって、像回転プリズム２２２から出射するサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、加工対象物ＯＢの射影の向きがＺ軸方向となる。像回転プリズム２２２から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は、第５反射ミラー２２４で反射して進行方向を変え、１／２波長板２２６を通過することで偏光方向が９０度変化して偏光ビームスプリッタ２２８に入射する。偏光ビームスプリッタ２２８は透過方向がレーザ光源２０２を出射したレーザ光の偏光方向に設定されているため、入射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光は偏光ビームスプリッタ２２８で反射する。これにより、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とが合成される。
【０１３４】
フォトディテクタ２３０には、図１５に示すように、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光とによる加工対象物ＯＢの射影Ｓが映し出されるが、この射影Ｓは、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに延びた十字形状となる。このフォトディテクタ２３０は、Ｙ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに射影Ｓが受光領域のＺ軸方向分割線ＤＩＶＺにより２等分される位置で、かつ、Ｚ軸方向から見て加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸と一致しているときに射影Ｓが受光領域のＸ軸方向分割線ＤＩＶＸにより２等分される位置に配置される。
【０１３５】
フォトディテクタ２３０の出力する受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、ぞれぞれ、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１とＺ軸方向エラー信号生成回路５７１とに入力される。この第５実施形態においては、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１は、受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））の演算を行い、その演算結果をＹ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））として出力する。Ｙ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＹ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。また、Ｚ軸方向エラー信号生成回路５７１は、受光信号（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を使って（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の演算を行い、その演算結果をＺ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））として出力する。Ｚ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））の大きさは、加工対象物ＯＢの中心軸とワーク駆動装置５０の回転軸とのＺ軸方向におけるずれ量を表すものとなる。
【０１３６】
Ｙ軸方向サーボ回路５６２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｙ軸方向エラー信号生成回路５６１から入力したＹ軸方向エラー信号（（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ））に基づいて、Ｙ軸方向サーボ信号を生成してＹ軸方向ドライブ回路５６３に出力する。Ｙ軸方向ドライブ回路５６３は、Ｙ軸方向サーボ信号に基づいてモータ１０８ａを駆動する信号を出力して、ガルバノミラー１０８を回転させる。これにより、加工用レーザ光の光軸が加工対象物ＯＢの中心軸と交差する位置に維持される。
【０１３７】
また、Ｚ軸方向サーボ回路５７２は、コントローラ９０からの指令により作動を開始し、Ｚ軸方向エラー信号生成回路５７１から入力したＺ軸方向エラー信号（（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ））に基づいて、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量を検出し、このずれ量だけ対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点位置を移動させるための第１リレーレンズ１１２のＺ軸方向移動量を表すＺ軸方向サーボ信号を生成してＺ軸方向ドライブ回路５７３に出力する。Ｚ軸方向ドライブ回路５７３は、Ｚ軸方向サーボ信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動する信号を出力して、第１リレーレンズ１１２をＺ軸方向に移動させる。したがって、加工対象物ＯＢのＺ軸方向のずれ量だけＺ軸方向にずれた位置に対物レンズ１１８によって集光される加工用レーザ光の焦点が位置するように、第１リレーレンズ１１２が原点位置からＺ軸方向に離れた位置に維持される。このため、加工対象物ＯＢの位置がＺ軸方向に変動しても、加工対象物ＯＢの中心軸がワーク駆動装置５０の回転軸とずれている量だけ加工用レーザ光の焦点が移動するように第１リレーレンズ１１２を原点位置から移動させることにより、常に、加工用レーザ光の焦点位置を加工対象物ＯＢの表面と一致させることができる。
【０１３８】
尚、本実施形態においても、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の光路上に第３リレーレンズ４０４，第４リレーレンズ４０６を設け、第３実施形態と同様、第３リレーレンズ４０４をリレーレンズアクチュエータ４０８で駆動し、それと等しい駆動量でフォーカスアクチュエータ１１２ａを駆動して、クローズドループ制御によりＺ軸方向サーボ制御を行うようにすることができる。
【０１３９】
また、加工対象物ＯＢに形成されるビームスポットの径が大きくてもよい場合は、図１６に示すように、対物レンズ１１８の焦点距離を長くすることができるので、加工対象物ＯＢと対物レンズ１１８の間にビームスプリッタ２３２を設け、像回転プリズム２２２から出射したサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とサーボ用Ｚ軸方向レーザ光をビームスプリッタ２３２で合成するようにしてもよい。この場合、加工対象物ＯＢから対物レンズ１１８までの光路長を２つの方向のレーザ光において等しくする必要があるため、リレーレンズ２３４，２３６を設ける。
【０１４０】
以上説明した第５実施形態のレーザ加工装置によれば、第１実施形態の効果を奏するだけでなく、サーボ用レーザ光のレーザ光源、サーボ用レーザ駆動回路、フォトディテクタ、その他の光学素子の数を減らすことができ、装置の低コスト化を図ることができる。
【０１４１】
尚、第１実施形態では、レーザ加工制御ルーチンにおけるステップＳ１０８，Ｓ１３２の処理において、サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路２４０とサーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路３４０との両方に対して照射開始指令又は照射停止指令を出力したが、第５実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光とサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを共通のレーザ光源２０２から出射するように構成しているため、照射開始指令及び照射停止指令は、レーザ光源２０２を駆動するサーボ用レーザ駆動回路５４０のみに対して出力される。
【０１４２】
以上、本発明の５つの実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【０１４３】
例えば、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の光軸方向を変更するために、ガルバノミラー１０８を用いているが、これに代えて、ポリゴンミラー、立上ミラー（例えば、特許第３８５２０７３号公報）、音響光学偏向器、電気光学偏向器などを用いてもよい。
【０１４４】
また、上記第１実施形態においては、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、加工用レーザ光を集光させる対物レンズ１１８を介してフォトディテクタ１３２で受光する構成を採用しているが、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の光軸を加工用レーザ光の光軸から僅かにずらし、対物レンズ１１８の近傍に設けたフォトディテクタでサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を受光する構成であってもよい。この構成では、加工対象物ＯＢの変動を加工用レーザ光の焦点位置の近傍で検出することになるが、加工対象物ＯＢの変動が大きくなければサーボ制御は可能である。
【０１４５】
また、上記各実施形態においては、フォーカスアクチュエータ１１２ａによる第１リレーレンズ１１２の駆動及びモータ１０８ａによるガルバノミラー１０８の駆動により加工用レーザ光の焦点位置が加工対象物ＯＢの適正位置になるように制御したが、Ｙ軸方向サーボ回路１６２、５６２が出力する信号の直流成分（オフセット部分）を検出し、この直流成分がゼロになるように加工用ヘッド及びサーボ用Ｚ軸方向光ヘッドをＹ軸方向に一体的に移動させるアクチュエータを別に設けるようにしてもよい。この場合には、ガルバノミラー１０８が原点位置を中心に駆動されるため、さらに精度の高いサーボ制御を行うことができる。
【０１４６】
また、上記各実施形態においては、加工用レーザ光の照射位置をＸ軸方向に移動させるにあたって、ワーク駆動装置５０により加工対象物ＯＢをＸ軸方向に移動させているが、例えば、加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０、Ｙ軸方向受光装置４０を一体化したユニットをＸ軸方向に移動させる構成であってもよい。
【０１４７】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢをその中心軸回りに回転させているが、加工対象物ＯＢを固定し、加工用ヘッド１０、サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド２０、サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド３０、Ｙ軸方向受光装置４０を加工対象物ＯＢの中心軸回りに回転させる構成であってもよい。
【０１４８】
また、上記各実施形態においては、加工対象物ＯＢを横方向に向けて固定しているが、加工対象物ＯＢを固定する向きは任意の方向に設定できるものである。また、これに伴って、加工用レーザ光、サーボ用Ｚ軸方向レーザ光、サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の向きに関しても、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の関係を満たす条件で任意に設定できるものである。
【符号の説明】
【０１４９】
ＯＢ…加工対象物、１０，１２，１５…加工用ヘッド、２０…サーボ用Ｚ軸方向光ヘッド、３０…サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド、４０，４３…Ｙ軸方向受光装置、４４…第２サーボ用Ｙ軸方向光ヘッド、５０…ワーク駆動装置、５１…移動ステージ、５２…スピンドルモータ、５５…フィードモータ、５６…スピンドルモータ制御回路、５７…フィードモータ制御回路、５８…移動位置検出回路、９０…コントローラ、１０２，２０２，１３０，３０２，４１０…レーザ光源、１１２…第１リレーレンズ、１１６…ダイクロイックミラー、１１８…対物レンズ、１１２ａ…フォーカスアクチュエータ、１１８…ガルバノミラー、１１８ａ…モータ、１２４，１２６，１３２，１４２，１４６，２１０，２３０，３１０，４０２，４２０，４２４…フォトディテクタ、４０４…第３リレーレンズ、４０８…リレーレンズアクチュエータ、１６１，５６１…Ｙ軸方向エラー信号生成回路、１６２，５６２…Ｙ軸方向サーボ回路、１６３，５６３…Ｙ軸方向ドライブ回路、１７１，１９１，５７１…Ｚ軸方向エラー信号生成回路、１７２，１８２，１９２，５７２…Ｚ軸方向サーボ回路、１７３，１８３、５７３…Ｚ軸方向ドライブ回路、２１２…ビームスプリッタ、２２２…像回転プリズム、２４０…サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路、３４０…サーボ用Ｙ軸方向レーザ駆動回路、４４０…第２サーボ用Ｚ軸方向レーザ駆動回路、５４０…サーボ用レーザ駆動回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
前記加工対象物を加工する加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源及び前記加工用レーザ光を前記加工対象物の表面に集光する対物レンズを備え、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向に前記加工用レーザ光を照射する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向回りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向回りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置において、
前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸の方向を変更する光軸方向変更部材と、
前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸方向に移動可能な加工レーザ用リレーレンズと、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光を受光して、受光位置に応じた受光信号を出力するサーボ用レーザ光受光手段と、
前記受光信号に応じて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するとともに、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面位置と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを駆動するサーボ手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光受光手段は、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出手段と、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出手段を備え、
前記サーボ手段は、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段と、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ加工装置において、
前記Ｚ軸方向照射手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ、前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、
前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射した前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離して前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の受光面に導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項２に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記対物レンズにより前記加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段と、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置において、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面への入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズを設け、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項２乃至請求項５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置において、
前記Ｙ軸方向照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射手段と、
前記加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出器とを備え、
前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズを設け、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボ手段と、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光が前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボ手段と、
前記第１Ｚ軸方向サーボ手段の作動の後に、前記第２Ｚ軸方向サーボ手段が作動するように作動切替を行う作動切替手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するサーボ用レーザ出射手段と、
前記サーボ用レーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離する分離光学素子とを備え、
前記サーボ用レーザ光検出手段は、
受光領域が十字状に分割された受光面を有し、各受光領域ごとに受光した光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射して形成されるそれぞれの射影が十字状にクロスするように合成して前記レーザ光検出器の受光面に導く合成光学素子とを備え、
前記サーボ手段は、
前記レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
前記加工用レーザ光照射手段により前記加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、前記加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する焦点位置不適正判定手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
前記加工対象物を加工する加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源及び前記加工用レーザ光を前記加工対象物の表面に集光する対物レンズを備え、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向に前記加工用レーザ光を照射する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向回りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向回りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物における前記加工用レーザ光の照射位置を前記Ｘ軸方向に移動させる加工用レーザ光照射位置移動手段と
を備えたレーザ加工装置に適用され、前記加工用レーザ光の焦点位置を制御するフォーカスサーボ制御方法において、
照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光を受光して、受光位置に応じた受光信号を出力するサーボ用レーザ光検出ステップと、
前記受光信号に応じて、前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸の方向を変更する光軸方向変更部材を、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように駆動するとともに、前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸方向に移動可能な加工レーザ用リレーレンズを、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面位置と一致するように駆動するサーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光検出ステップは、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光をＺ軸方向レーザ検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光をＹ軸方向レーザ検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出ステップを含み、
前記サーボステップは、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射ステップと、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記Ｚ軸方向照射ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ、前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に設けた分離用光学素子により、前記光路に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離して前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に導くステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、前記対物レンズにより前記加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射ステップと、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物の反射光を前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物にし照射して形成される射影を前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面への入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能に設けられたサーボレーザ用リレーレンズを、前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の出力する受光信号に基づいて、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１６】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記Ｙ軸方向照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射ステップと、
前記加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、
第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能に設けられたサーボレーザ用リレーレンズを、前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボステップと、
第１Ｚ軸方向サーボステップの後に行われ、前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光が前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１７】
請求項１０に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するとともに前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離するステップを含み、
前記サーボ用レーザ光検出ステップは、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射して形成される射影が十字状にクロスするように合成し、受光領域が十字状に分割された受光面を備え、各受光領域ごとに光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器の受光面に、前記合成した射影を導くステップを含み、
前記サーボステップは、
前記レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至請求項１７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記加工用レーザ光照射ステップにより前記加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、前記加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する焦点位置不適正判定ステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
前記加工対象物を加工する加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源及び前記加工用レーザ光を前記加工対象物の表面に集光する対物レンズを備え、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向に前記加工用レーザ光を照射する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向回りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向回りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向に変位させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向に移動させる移動手段とを備えたレーザ加工装置において、
前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸の方向を変更する光軸方向変更部材と、
前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸方向に移動可能な加工レーザ用リレーレンズと、
照射方向が前記Ｚ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射手段と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光を受光して、受光位置に応じた受光信号を出力するサーボ用レーザ光受光手段と、
前記受光信号に応じて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するとともに、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面位置と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを駆動するサーボ手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光受光手段は、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出手段と、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出手段を備え、
前記サーボ手段は、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段と、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ加工装置において、
前記Ｚ軸方向照射手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ、前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、
前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に、前記光路に入射した前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離して前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の受光面に導く分離用光学素子を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項２に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、前記対物レンズにより前記加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射手段と、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置において、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面への入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズを設け、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項２乃至請求項５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置において、
前記Ｙ軸方向照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射手段と、
前記加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射手段とを備え、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段は、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出器とを備え、
前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能なサーボレーザ用リレーレンズを設け、
前記Ｚ軸方向サーボ手段は、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボ手段と、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光が前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボ手段と、
前記第１Ｚ軸方向サーボ手段の作動の後に、前記第２Ｚ軸方向サーボ手段が作動するように作動切替を行う作動切替手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記サーボ用レーザ光照射手段は、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するサーボ用レーザ出射手段と、
前記サーボ用レーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離する分離光学素子とを備え、
前記サーボ用レーザ光検出手段は、
受光領域が十字状に分割された受光面を有し、各受光領域ごとに受光した光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器と、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射して形成されるそれぞれの射影が十字状にクロスするように合成して前記レーザ光検出器の受光面に導く合成光学素子とを備え、
前記サーボ手段は、
前記レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボ手段と、
前記レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボ手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
前記加工用レーザ光照射手段により前記加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、前記加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する焦点位置不適正判定手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
円筒パイプ状の加工対象物を、その中心軸方向をＸ軸方向にして支持する対象物支持手段と、
前記加工対象物を加工する加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源及び前記加工用レーザ光を前記加工対象物の表面に集光する対物レンズを備え、前記加工対象物の中心軸線方向であるＸ軸方向に対して垂直方向となるＺ軸方向に前記加工用レーザ光を照射する加工用レーザ光照射手段と、
前記加工対象物又は前記加工用レーザ光照射手段を前記Ｘ軸方向回りに回転させて、前記加工対象物に対する加工用レーザ光の照射位置を、前記加工対象物に対して相対的に前記Ｘ軸方向回りに回転させる回転手段と、
前記加工対象物における前記加工用レーザ光の照射位置を前記Ｘ軸方向に移動させる加工用レーザ光照射位置移動手段と
を備えたレーザ加工装置に適用され、前記加工用レーザ光の焦点位置を制御するフォーカスサーボ制御方法において、
照射方向がＺ軸方向に設定されたサーボ用Ｚ軸方向レーザ光と、照射方向が前記Ｚ軸方向と前記Ｘ軸方向とに対して垂直方向となるＹ軸方向に設定されたサーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射するサーボ用レーザ光照射ステップと、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光及び前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される前記加工対象物の射影又は前記加工対象物からの反射光を受光して、受光位置に応じた受光信号を出力するサーボ用レーザ光検出ステップと、
前記受光信号に応じて、前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸の方向を変更する光軸方向変更部材を、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように駆動するとともに、前記加工用レーザ光源と前記対物レンズの間に設けられ、前記加工用レーザ光の光軸方向に移動可能な加工レーザ用リレーレンズを、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面位置と一致するように駆動するサーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光検出ステップは、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光をＺ軸方向レーザ検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＺ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影又は前記加工対象物からの反射光をＹ軸方向レーザ検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影又は前記反射光の位置に応じた受光信号を出力するＹ軸方向レーザ光検出ステップを含み、
前記サーボステップは、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出手段の出力する受光信号に基づいて前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射ステップと、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記Ｚ軸方向照射ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光を、前記加工用レーザ光照射手段から照射される加工用レーザ光と光軸が同一となる位置で、かつ、前記加工対象物に対して前記加工用レーザ光の照射方向とは反対方向から照射し、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記加工用レーザ光を前記加工対象物に照射するための光路の途中に設けた分離用光学素子により、前記光路に入射したサーボ用Ｚ軸方向レーザ光を前記光路から分離して前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に導くステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、前記対物レンズにより前記加工用レーザ光と同程度に集光したレーザ光を前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光として前記加工用レーザ光と同軸となる位置で前記加工対象物へ前記Ｚ軸方向に照射するＺ軸方向照射ステップと、前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射するＹ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光の前記加工対象物の反射光を前記Ｚ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力し、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物にし照射して形成される射影を前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力することを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面への入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能に設けられたサーボレーザ用リレーレンズを、前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の出力する受光信号に基づいて、前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズをＺ軸方向に駆動することを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１６】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記Ｙ軸方向照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光を第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第１Ｙ軸方向照射ステップと、
前記加工対象物の直径よりも小さな直径に集光したレーザ光を第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光として前記加工対象物へ前記Ｙ軸方向に照射する第２Ｙ軸方向照射ステップとを含み、
前記Ｙ軸方向レーザ光検出ステップは、
前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影を第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記射影の位置に応じた受光信号を出力する第１Ｙ軸方向レーザ光検出ステップと、
前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光を第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面に受けて、前記受光面における前記反射光の位置に応じた受光信号を出力する第２Ｙ軸方向レーザ光検出ステップとを含み、
前記Ｚ軸方向サーボステップは、
第１Ｙ軸方向レーザ光検出器と前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器との共通の入射光路に、前記Ｚ軸方向に移動可能に設けられたサーボレーザ用リレーレンズを、前記第１サーボ用Ｙ軸方向レーザ光を前記加工対象物に照射して形成される射影が前記第１Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第１Ｚ軸方向サーボステップと、
第１Ｚ軸方向サーボステップの後に行われ、前記第２サーボ用Ｙ軸方向レーザ光の前記加工対象物からの反射光が前記第２Ｙ軸方向レーザ光検出器の受光面の中央に位置するように前記サーボレーザ用リレーレンズを駆動するとともに、前記サーボレーザ用リレーレンズの駆動と合わせて前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動する第２Ｚ軸方向サーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１７】
請求項１０に記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記サーボ用レーザ光照射ステップは、
前記加工対象物の直径よりも大きな直径の平行レーザ光をサーボ用レーザ光として出射するとともに前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とに分離するステップを含み、
前記サーボ用レーザ光検出ステップは、
前記サーボ用Ｚ軸方向レーザ光と前記サーボ用Ｙ軸方向レーザ光とを前記加工対象物に照射して形成される射影が十字状にクロスするように合成し、受光領域が十字状に分割された受光面を備え、各受光領域ごとに光強度に応じた受光信号を出力するレーザ光検出器の受光面に、前記合成した射影を導くステップを含み、
前記サーボステップは、
前記レーザ光検出器の左右又は上下の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の光軸が前記加工対象物の中心軸と交差するように前記光軸方向変更部材を駆動するＹ軸方向サーボステップと、
前記レーザ光検出器の上下又は左右の受光領域における受光信号の差に基づいて、前記加工用レーザ光の焦点位置が前記加工対象物の表面と一致するように前記加工レーザ用リレーレンズを前記Ｚ軸方向に駆動するＺ軸方向サーボステップとを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至請求項１７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法において、
前記加工用レーザ光照射ステップにより前記加工対象物の表面に照射された加工用レーザ光の反射光の強度を検出し、前記検出した反射光の強度が基準値以下となる場合に、前記加工用レーザ光の焦点位置が適正でないと判断する焦点位置不適正判定ステップを含むことを特徴とするレーザ加工装置のフォーカスサーボ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−５５９２９（Ｐ２０１２−５５９２９Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０１０６０（Ｐ２０１０−２０１０６０）
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（０００１１２００４）パルステック工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（０００１１２００４）パルステック工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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